JP3230767B2 - Method and apparatus for transmitting compressed image signal using trellis coded QAM - Google Patents
Method and apparatus for transmitting compressed image signal using trellis coded QAMInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
【0001】本発明は、1991年7月26日に出願し
た米国特許出願番号第07/736,738号の一部継
続出願である。
【0002】
【産業上の利用分野】本発明は、トレリス符号化直交振
幅変調(QAM)に関し、さらに具体的には、QAM伝
送を符号化する実用的な方法に関する。本発明は特に、
高精細度テレビジョン(HDTV)システムにおける圧
縮画像信号の伝送に適用することができる。
【0003】
【従来の技術】例えば高精細度テレビジョン(HDT
V)信号の放送に使用するディジタル化画像信号のごと
きディジタルデータは、VHFやUHFの地上通信用ア
ナログ伝送路でエンドユーザへ伝送することができる。
アナログ伝送路では、その入力波形がゆがんだり変形し
て伝送される。波形のゆがみは通常は統計学的である
が、暗熱雑音や衝撃雑音、フェージングなどが起こりう
るので、相加的および/または相乗的な場合もある。伝
送路によってもたらされる変形は、周波数変換、非線形
または高調波ひずみ、および時間分散である。
【0004】アナログ伝送路でディジタルデータを伝送
するには、例えばパルス振幅変調(PAM)を用いてデ
ータを変調する。一般的には直交振幅変調(QAM)を
使用して、利用可能な通信路の帯域幅内で伝送できるデ
ータ量を増大する。QAMはPAMの一種であり、多ビ
ット数の情報が、例えば16または32の点を含むこと
のできる「コンステレーション」と呼ばれる1つのパタ
ーンで一緒に伝送される。
【0005】パルス振幅変調の場合、各信号は伝送シン
ボルによって決定される振幅レベルを持つパルスであ
る。16点QAMでは、一般に各直角位相チャネルに−
3、−1、1、および3のシンボル振幅を使用する。ま
た32ビットQAMでは、一般に−5、−3、−1、
1、3、および5のシンボル振幅を使用する。ディジタ
ル通信システムの帯域効率は、単位帯域幅当りの毎秒伝
送ビット数と定義される。つまり、帯域幅に対するデー
タレートの比率である。高いデータレートおよび小さい
占有帯域が要求される適用分野では、帯域効率の高い変
調システムが使用される。QAMは帯域効率の高い変調
である。
【0006】一方、衛星通信システムによく見られる四
相シフトキーイング(QPSK)などの変調方式は、よ
く確立され理解されている。QPSKでは、QAMより
単純なコンステレーションパターンが得られる。特に、
QPSKシステムで使用するコンステレーションパター
ンは、一般に位相が相互に90度づつ離れている同一振
幅の4個のシンボルしか含まない。したがって、4個の
シンボルは円の回りに均等間隔で配置される。
【0007】QPSK変調は、帯域制限は主要な問題で
はないが出力が制限されるシステムに適している。一
方、QAM変調は、出力要件は主要な問題ではない帯域
が制限されるシステムで有利である。したがって、QP
SKは衛星通信システムにおいて卓越した方式として使
用されてきた。一方、QAMは地上およびケーブルシス
テムに好適である。QPSKの普及の結果、トレリス符
号化QPSK変調を実現する集積回路はすでにできてお
り、簡単に手に入る。
【0008】トレリス符号化変調(TCM)は、帯域制
限通信路でのディジタル伝送のために符号化と変調を組
み合わせた技術として発展してきた。これは、QAMの
ごとき従来の符号化しないマルチレベル変調に比べて、
帯域効率を低下することなく、重要な符号化の利点を達
成することができる。TCM方式は冗長非2進変調を、
変調信号の選択を支配して符号化信号シーケンスを生成
する有限状態符号器と組み合わせて利用する。受信側で
は、雑音のある信号を軟判定最尤シーケンス復号器によ
って復号化する。こうした方式は、相加的雑音に対する
ディジタル伝送の頑強性を、従来からの符号化しない変
調に比較して3−6dB高めることができる。このよう
な利点は、他の周知の誤り訂正方式で要求される帯域拡
大や実効情報率の低下を伴なうことなく達成される。
「トレリス」という用語を使用するのは、2進畳込み符
号のトレリス図によく似た状態遷移(トレリス)図によ
ってこの方式を説明することができるからである。違い
は、TCMが畳込み符号化の原理を任意の大きさの信号
セットによる非2進変調まで拡張することである。
【0009】トレリス符号化QPSK変調を実現するた
めのコンポーネントを入手しやすいということは、QP
SK技術が卓越している衛星通信等の適用分野のために
低価格の通信システムを設計する上で、非常に有利であ
る。しかし、こうしたコンポーネントは、QAMを好適
とするような他の符号化伝送システムを実現するには役
に立たなかった。
【0010】出力と帯域の両方が制限され、しかも低価
格のコンポーネント(特に低価格のデータ復号器)が要
求される適用分野では、従来のQAMシステムは、必要
とされる符号器および復号器回路が複雑であり比較的高
価であるために、役に立ちそうにながった。実際、QA
Mトレリス符号器および復号器は、高価な特別注文の集
積回路チップに実現するのが一般的である。
【0011】出力および帯域が制限されており、かつデ
ィジタルデータ通信に低価格の解決策が必要とされる1
つの適用分野として、圧縮高精細度テレビジョン信号の
ディジタル通信がある。圧縮HDTV信号を伝送するシ
ステムは、毎秒15−20メガビット(Mbps)程度
のデータレート、5−6MHz程度の占有帯域(従来の
米国テレビジョン標準方式委員会(NTSC)方式によ
るテレビチャネルの帯域幅)、および非常に高いデータ
信頼性(つまり非常に小さいビット誤り率)が要求され
る。このデータレート要件は、高品質の圧縮テレビ画像
を提供する必要性から生じている。帯域幅の制約は、H
DTV信号は既存の6MHzテレビチャネルを使用する
し、かつ現在のNTSC放送信号と共存しなければなら
ないという米国連邦通信委員会の規定によるものであ
る。単独の6MHzの帯域で完全なHDTV性能を達成
するために、DCT変形符号化に基づく高効率の独自の
圧縮アルゴリズムが、放送に関するIEEE会議録第3
6巻第4号245−254頁(1990年12月)の
W.パイク著「ディジサイファ−完全ディジタルの通信
路互換性HDTV放送システム」(W. Paik, "Digiciph
er - All Digital, Channel Compatible, HDTV Broadca
st System", IEEE Transactions on Broadcasting, Vo
l. 36, No.4, December 1990, pp. 245-254)によって
提案されており、これを参照によってここに組み込む。
【0012】この組合せのデータレートと占有帯域で
は、帯域効率の高い変調システムが必要にある。実際、
データレート対帯域幅比は3または4程度でなければな
らない。つまり、符号化をせず帯域効率が2であるQP
SKのような変調方式は適さない。帯域効率がもっと高
いQAMのような変調方式が必要である。しかし、先に
述べたように、QAMシステムは、大量消費される適用
分野に実現するには高価すぎることが難点であった。
【0013】HDTVの分野で非常に高いデータ信頼性
が要求される理由は、高度に圧縮した情報源材料(つま
り圧縮画像)が伝送路誤りに弱いという事実による。デ
ータの本来の値を簡潔に記述するために、信号の自然冗
長性は除かれている。例えば、24時間に誤りを1ビッ
ト未満として15Mbpsで送信するシステムの場合、
ビット誤り率(BER)は、1012個の伝送ビットにお
ける誤りが1回未満でなければならない。
【0014】データ信頼性の要件は、分割と共働(divi
de and concur )による問題解決法である連結符号化の
手法を用いることによって、事実上満たされることが多
い。こうした符号化の枠組では2つの符号を使用する。
「内側」変調符号は伝送路をきれいに片付け、「外側」
復号器に穏当なシンボル誤り率を伝送する。内側符号は
通常、「軟判定」(つまり、精巧に量子化された伝送路
データ)を用いて効果的に復号化できる符号化変調であ
る。周知の方法として、内側符号として畳込みまたはト
レリス符号を使用し、一形態の「ビタビアルゴリズム」
をトレリス復号器とする方法がある。外側符号はほとん
どの場合が、t−誤り訂正「リード−ソロモン」符号で
ある。HDTVデータ通信に要求されるデータレート範
囲内で作動するこうしたリード−ソロモン符号化システ
ムは広く利用することができ、数社の製造業者の集積回
路に実現されている。外側復号器は、内側復号器をくぐ
り抜けた大多数のシンボル誤りを除去するので、最終出
力の誤り率が非常に小さくなる。
【0015】さらに詳細な連結符号化方式の説明は、
G.C.クラーク・ジュニア、J.B.ケイン共著「デ
ィジタル通信の誤り訂正符号化」(1981年)(G.C.
Clark,Jr. and J.B. Cain,"Error-Correction Coding
for Digital Communications",Plenum Press, New Yor
k,1981 )、およびS.リン、D.J.コステロ・ジュ
ニア共著「誤り制御符号化:基礎と応用」(1983
年)(S. Lin and D.J. Costello, Jr., "Error Contro
l Coding: Fundamentals and Applications", Prentice
-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1983 )に見る
ことができる。また、トレリス符号化については、情報
理論に関するIEEE会議録第IT−28巻第1号55
−67頁(1982年1月)のG.ウンガーべック著
「マルチレベル/位相信号による伝送路符号化」(G. U
ngerboeck, "Channel Coding with Multilevel/Phase S
ignals", IEEE Transactions on Information Theory,
Vol. IT-28, No. 1, pp. 55-67, January 1982 )、I
EEE通信雑誌第25巻第2号5−21頁(1987年
2月)のG.ウンガーべック著「冗長信号セットを用い
たトレリス符号化変調−−第I部:序論、−−第II部:
最新技術」(G. Ungerboeck, "Trellis-Coded Modulati
on with Redundunt Signal Sets -- Part I: Introduct
ion, -- Part II: State of the Art", IEEE Communica
tions Magazine, Vol. 25, No. 2, pp. 5-21, February
1987 )、および情報理論に関するIEEE会議録第I
T−33巻第2号177−195頁(1987年3月)
のA.R.コールダーバンク、N.J.A.スローン共
著「格子と剰余系に基づく新しいトレリス符号」(A.R.
Caulderbank and N.J.A. Sloane, "New Trellis Codes
Basedon Lattices and Cosets", IEEE Transactions o
n Information Theory, Vol.IT-33, No. 2, pp. 177-19
5, March 1987 )で詳細に議論されている。ビタビアル
ゴリズムについては、IEEEの会報第61巻第3号
(1973年3月)のG.D.フォーニー・ジュニア著
「ビタビアルゴリズム」(G.D. Forney, Jr., "TheVite
rbi Algorithm", Proceedings of the IEEE , Vol. 61,
No. 3, March1973)に説明されている。リード−ソロ
モン符号化方式については、前出のクラーク・ジュニア
ら(Clark, Jr. et al)、およびリンら(Lin et al )
の記事で討議されている。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】連結符号化システムに
おける内側変調符号の出力における誤り率性能は、信号
対雑音比(SNR)に大きく依存する。ある符号はSN
Rが低いときに性能がよく、誤り率が低くなり、別の符
号はSNRが高いときに性能がよくなる。つまり、連結
符号システムでも非連結符号化システムでも、変調符号
の最適化には、指定SNR範囲によって異なる解決策が
必要になることを意味する。
【0017】HDTV放送システムでは、カバレッジ
(有効範囲)/局間隔と映像品質とが互いに背反する特
性であるために、最適のバランスを見出すことが必要で
ある。低次QAM(例えば16−QAM)は、受信搬送
波対雑音比が低いという性能特性のために、高次QAM
(例えば64−QAM)より高いカバレッジを提供し、
局間隔をより密にすることができる。一方、高次QAM
は帯域効率が高いので、低次QAMより高い画像品質を
提供する。どの次数のQAMを選択するかは、地形配置
や利用可能な/許可された送信機の出力、および通信路
の条件などによって非常にしばしば左右される。これら
のパラメータは非常にしばしば送信側で決定できること
ができ、QAM伝送モードを自動的に選択できるQAM
通信システムを装備することができる。このようなシス
テムは当然、送信機で使用されたQAMの次数を自動的
に高い信頼度で検出できる受信機を装備し、送信された
信号を正しく受信できるようにしなければならない。こ
れらの特徴を提供するシステムは、1992年3月24
日出願の共通譲渡された同時係属出願である米国特許出
願番号第07/852,330号「モード選択的直交振
幅変調通信システム」に開示されており、参照によって
ここに組み込む。
【0018】圧縮画像を含むHDTV信号の通信のため
には、帯域効率が高く、出力要件が低いデータ変調シス
テムを装備すると有利であろう。そうしたシステムは、
最小占有帯域および非常に高いデータ信頼性で高いデー
タレートを持たなければならない。低価格で大量生産す
るために、こうしたシステムに使用する受信機の複雑さ
を最小限に抑えなければならない。システムは、個別化
をできるだけ少なくし、容易に入手できるコンポーネン
トを使用して実現することができなければならない。
【0019】本発明は、上記の利点を持つ変調システム
を提供する。特に本発明の方法および装置は、データ信
頼性を犠牲にすることなく、トレリス符号化QPSKシ
ステムの範囲を、HDTV通信に特に便利なトレリス符
号化QAMシステムにまで拡張する。
【0020】
【課題を解決するための手段】本発明に従って、高精細
度テレビジョン信号を伝送する方法を提供する。HDT
V信号の画像部分はPCMビデオデータのブロックに分
割する。動きの予測と補償を用いてブロックを処理し、
DPCMデータを生成する。所定の判定基準に基づい
て、各ブロックごとにPCM画像データおよびDPCM
データの1つを送信のために選択する。例えば、送信の
ための最小限のビット数を生成する代替法を選択するこ
ともできる。選択されたデータを、離散余弦変換を用い
て圧縮し、変換係数のブロックを生成する。次に、これ
を量子化してその符号化効率を高める。量子化された変
換係数を次に、可変長符号化する。結果として得られる
係数を、リード−ソロモン外側符号とトレリス内側符号
とを連結した符号化構造を用いて符号化し、送信のため
の符号化信号を生成する。直交振幅変調を用いて、符号
化された信号を送信する。
【0021】好適実施例では、リード−ソロモン外側符
号によって生成されたシンボルを、最初のインターリー
ブフォーマットに従ってインターリーブし、その後にト
レリス内側符号によって発生する可能性のあるバースト
誤りを分散させる。トレリス内側符号によって生じる符
号化信号を、第2インターリーブフォーマットに従って
インターリーブし、その後に前記符号化信号の伝送路に
沿って発生する可能性のあるバースト誤りを分散させ
る。
【0022】圧縮画像情報を含み、直交振幅変調を用い
て送信される高精細度テレビジョン信号の場合、前記信
号を含む搬送波を受信する。受信された搬送波を復調し
て、圧縮画像情報を含むインターリーブ変調関数を復元
する。復元された変調関数を次にデインターリーブし、
連結復号器の内側トレリス復号アルゴリズムで復号し
て、圧縮画像情報を表わすインターリーブされたリード
−ソロモンシンボルを復元する。復元されたリード−ソ
ロモンシンボルをデインターリーブし、連結復号器の外
側リード−ソロモン復号アルゴリズムに入力する。リー
ド−ソロモン復号アルゴリズムは、デインターリーブさ
れたリード−ソロモンシンボルから可変長符号化係数を
復元する。復元された可変長符号化係数を復号して、前
記画像情報を表わす変換係数を復元する。次に変換係数
を逆変換して、PCMおよびDPCMフォーマットの少
なくとも1つによる画像データを復元する。復元された
DPCMデータを動き補償を用いて処理し、復元された
DPCMで表わされるPCM画像データを復元する。復
元されたPCM画像データを、HDTVテレビジョン受
信機への出力用にフォーマット化する。
【0023】本発明はさらに、HDTV信号用の特定の
QAM伝送構造をも提供する。N点から成るQAMコン
ステレーションパターンを、4つのサブセットに分割す
る。各サブセットは、コンステレーションパターンのN
/4のシンボル点を含む。4つのサブセットのそれぞれ
に、異なる2ビットの符号語を割り当てる。伝送するシ
ンボルを、符号化率1/2の2進畳込み符号化アルゴリ
ズムでそのシンボルの第1ビットを処理することによっ
て符号化し、コンステレーションパターンの中でそのシ
ンボルが存在するサブセットに割り当てる2ビットの符
号語を生成する。この2ビットの符号語をシンボルの残
りのビットと共に写像して、変調関数を生成する。残り
のビットは、符号語によって定義されるサブセットに含
まれるN/4個のシンボル点の1つをシンボルに相関さ
せるものである。通信路で伝送するために、搬送波を変
調関数で変調する。
【0024】図に示す実施例では、2ビットの符号語は
変調関数の最下位ビットを構成し、コンステレーション
パターンの座標のマトリックスの列を定義する。残りの
ビットは、変調関数の最上位ビットを構成し、コンステ
レーションパターンの大きさを決定する。連結方式の場
合、情報ビットは最初に例えば、リード−ソロモン符号
のごときt−シンボル誤り訂正符号を使用して、シンボ
ルに符号化する。符号化されたこれらのシンボルを次に
トレリス符号器へ渡し、そこで搬送波に望ましい変調を
行なう。
【0025】変調関数を伝送した後、それを受信側で復
元する。復元された変調関数を枝刈りし、サブセットに
対応する1組のメトリックを生成し、かつ残りのビット
によって識別される信号点の様々な条件付き決定値を表
わす多数のバイトを生成する。このメトリックを、符号
化率1/2の2進畳込み符号を復号するアルゴリズム
(例えばビタビアルゴリズム)で使用して、最初のビッ
トを復元する。復元された最初のビットを符号化率1/
2の2進畳込み符号化アルゴリズムで使用して、符号語
を再生する。再生された符号語に応答して、条件付き決
定バイトの1つを選択する。次に、選択されたバイトを
復元された最初のビットと組み合わせて、復号した出力
を生成する。
【0026】本発明はさらに、QAM伝送のためにディ
ジタルデータを符号化する装置を提供する。符号器は、
伝送するシンボルを最初のビットと少なくとも1つの残
りのビットに分解するパージング手段を含む。また、最
初のビットを符号化率1/2の2進畳込み符号化アルゴ
リズムで符号化し、N点のQAMコンステレーションパ
ターンの4つのサブセットの1つを定義する2ビット符
号語を作成する手段を装備する。各サブセットは、コン
ステレーションパターンのシンボル点をそれぞれN/4
個ずつ含む。符号語を残りのビットと共に写像し、変調
関数を生成する。残りのビットは、符号語によって定義
されるサブセットに含まれるN/4個のシンボル点の1
つをシンボルに相関させる。また、通信路で伝送するた
めに搬送波を変調関数で変調する手段を装備する。さら
に、誤り訂正アルゴリズムを用いて情報ビットを符号化
して、パージング手段によって分解されるシンボルを生
成する外側符号器を装備することができる。
【0027】図に示す実施例では、符号語は変調関数の
最下位ビットを構成し、前記コンステレーションパター
ンの座標マトリックスの列を定義する。残りのビット
は、変調関数の最上位ビットを構成し、コンステレーシ
ョンパターンの大きさを決定する。符号化手段はトレリ
ス符号化アルゴリズムを使用することができる。
【0028】復号装置も本発明に従って提供する。受信
機は、受信した搬送波を復調して、N点QAM変調関数
を復元する。この変調関数において、2ビットの符号語
は多数のQAMコンステレーションサブセットの1つを
識別し、残り(n−2)のビット部は前記1つのサブセ
ット内の1つの信号点を表わす。さらに、復元された変
調関数を枝刈り(pruning)して、前記サブセットに対
応する1組のメトリックを生成し、かつ(n−2)ビッ
ト部によって識別される信号点の多数の条件付き決定値
を表わす多数の(n−2)ビットのサブグループを生成
する枝刈り手段を装備する。このメトリックを、符号化
率1/2の2進畳込み符号を復号するアルゴリズムに使
用して、最初のビットを復元する。次に、復元された最
初のビットを、符号化率1/2の2進畳込み符号化アル
ゴリズムを用いて符号化し、符号語を再生する。さら
に、再生された符号語に応答して、多数の(n−2)ビ
ットのサブグループから1つを選択する手段を装備す
る。選択されたサブグループを復元された最初のビット
と組み合わせて、復号した出力を生成する。
【0029】図に示す実施例では、符号語は変調関数の
最下位ビットから成り、コンステレーション座標のマト
リックスの列を定義し、一方、選択されたサブグループ
は最上位ビットを構成し、マトリックスの行を定義す
る。枝刈り手段は、コンステレーション座標のマトリッ
クスの各列の復元N点変調関数を量子化するものであ
り、条件付き決定値は各列の最適選択から成り、そのメ
トリックの組は各選択の品質を表わす。このメトリック
を、軟判定アルゴリズムを使用して畳込み符号を復号す
る復号器と共に使用する。
【0030】連結復号器も提供する。連結方式の実施例
では、誤り訂正アルゴリズムを用いて出力を復号する外
側復号器を装備する。図に示す実施例では、連結復号器
に使用する内側復号アルゴリズムはビタビアルゴリズム
から成る。外側のシンボル誤り訂正アルゴリズムは、リ
ード−ソロモン符号で構成することができる。受信機で
受信される搬送波信号は、高精細度テレビジョン搬送波
信号で構成することができる。
【0031】
【実施例】図1は、QAMデータを伝送するための連結
方式の符号化システムを示す。伝送するディジタル情報
が、入力端子10からリード−ソロモン符号器などのシ
ンボル誤り訂正符号器12に入力される。符号器12は
情報を、多数の連続するnビットのシンボル16から成
る符号語14に変換する。符号器12に外側畳込み符号
を使用することもできるが、伝送系で誤りが集中発生し
やすい性質、ハード量子化データしか使用できないとい
う事実、および速度の高い符号が望ましいことを考慮す
ると、2進ストリームのnビットのセグメントから成る
シンボルを使用するリード−ソロモン符号が外側符号に
適した選択ということになる。リード−ソロモン符号は
ブロック内のシンボル誤り数にしか依存しないので、n
−ビットの1つのシンボル内のバースト誤りに影響され
ない。しかし、連結システムの性能は、シンボル誤りの
長時間のバーストによってひどく劣化する。したがっ
て、リード−ソロモン符号器12の出力にインターリー
バ18を設置し、符号化動作の間に(個々のビットでは
なく)シンボルを挟み込むようにする。挟み込みの目的
は、シンボル誤りのバーストを分解することである。
【0032】挟み込まれたシンボルはQAMトレリス符
号器20へ入力される。本発明では、符号器20は、以
下に詳細に述べるように、QPSK符号をトレリス符号
化QAM変調システムへ組み込む。
【0033】符号器20の出力は、QAMコンステレー
ションパターンの実平面(I)と虚平面(Q)の座標を
表わすシンボルから成る。1つのそうしたコンステレー
ション点22を、図1に象徴的に示す。このシンボルが
従来の送信器24によって、伝送路26を介して送信さ
れる。伝送路は様々なひずみや遅延をもたらし、信号は
受信機28に受信される前にゆがむ。その結果、受信さ
れたシンボルに実現される座標値は、送信された座標値
と厳密に相関しなくなり、受信された点30は、コンス
テレーションパターンの実際に送信された点22とは異
なる位置になる。受信点の正確な位置を決定し、それに
よって実際に送信された通りのデータを得るために、軟
判定畳込み復号アルゴリズムを使用するQAMトレリス
復号器32に下記数4の受信データを入力して、送信情
報を復元する。本発明による復号器を以下に詳しく説明
する。
【数4】【0034】復号器32により復号された出力は、上述
のインターリーバ18と逆の効果を生じるデインターリ
ーバ34に入力される。デインターリーブされたデータ
はリード−ソロモン復号器36に入力されて、元の情報
ビットを復元する。
【0035】本発明では、QPSK符号をトレリス符号
化QAMシステムに組み込むことによって、低SNR領
域の作動時に低いビット誤り率で、データレートが高く
帯域効率がよいシステムを提供する。この目的を達成す
るために、両方で1つのシンボルを定義するQPSK符
号の符号語と「未符号化」ビットを、一意にQAMコン
ステレーションに割り当てる。また、軟判定復号器と
「未符号化」ビットが表わすコンステレーション点を決
定する技術とを結合すことによって、受信信号を復号す
る。
【0036】図2は、本発明による符号器を示す。デー
タビット(例えば図1のインターリーバの出力)は、入
力端子40から従来のパージング回路42に入力され
る。送信するn−1ビットのシンボルが分解されて生成
された最初のビットは、線路46に出力して畳込み符号
器48に送られる。残りのn−2個の「未符号化」ビッ
トは、線路44に出力して2 n −QAM写像回路50に
送られる。畳込み符号器48は、ゼネレータを8進数で
171および133とする符号化率1/2、状態数64
の畳込み符号を使用する。符号器48の2ビットの出力
と(n−2)ビットの未符号化ビットは2 n −QAM写
像回路へ送られ、nビットのシンボルをQAMコンステ
レーション上の特定のコンステレーション点に写像する
ためのラベルとして使用される。畳込み符号器48から
の「符号化」された2ビット出力は、実際にはQPSK
符号語であり、コンステレーションサブセットの選択に
使用される。未符号化ビットは、QAMコンステレーシ
ョンからコンステレーションサブセット内の特定の信号
点を選択するのに使用される。
【0037】QAM伝送(符号化)では、QPSK符号
の符号語および残りの未符号化ビットをQAMコンステ
レーションに割り当てなければならない。この目的のた
めに、次の変調関数MOD(m)∈R2によってQAM
コンステレーション点のラベル付けを記述しなければな
らない。
MOD:{0,1}N→R2
以下に説明する写像は、次のような望ましい特徴を備え
ている。(1)QAMの直角位相の曖昧さの影響がQP
SK符号語に現われるが、未符号化ビットは曖昧さの影
響を受けない(つまり、直角位相の曖昧性はQPSKシ
ステムと同様の方法で処理される)。(2)最上位ディ
ジットはコンステレーションの大きさを制御する(つま
り16/32/64−QAMの入れ子構造)。
【0038】16−QAM(m5=m4=0)の場合、次
のマトリックスによって記述されるラベル付けを考える
(m5=m4=m 3 =m 4 =0の場合、QPSK)。
【数1】
32−QAM(m5=0)の場合、次のマトリックスを
追加する。
【数2】64−QAMの場合、次のマトリックスを追加する。
【数3】
【0039】QPSK符号器の出力は、変調器入力の最
下位ビット(LSB)m1m0を構成し、マトリックスの
列を選択する。最上位ビット(MSB)はコンステレー
ションの大きさを決定する。未符号化ビットが無い(m
5=m4=m3 =m4 =0)場合、QPSKが生成され
る。未符号化ビットが2個の場合(m3m2)、16−Q
AMが生成される。未符号化ビットが3個の場合(m4
m3m2)、32−QAMが生成される。未符号化ビット
が4個の場合(m5m4m3m2)、64−QAMが生成さ
れる。それ以上の場合、QAMコンステレーションが9
0度づつ回転する影響により、マトリックスの列が次の
ように回転する。
00→01→11→10→00;
行は変化しない。つまり、未符号化ビットのラベル付け
は、0°、90°、180°、および270°の回転に
よって影響されない。受信機(復号器)における直角位
相の曖昧さの処理は、QPSK符号器だけに任されてい
る。QPSK受信機で曖昧さの解決に使用される方法は
どの方法でも、このラベル付けを用いるQAMシステム
に直接組み込むことができる。例えば、QPSK符号自
体が巡回変化しない場合には、QPSKの差動符号化を
使用することができる。
【0040】本発明による16−QAMおよび32−Q
AMのコンステレーションパターンのラベル付けを、図
4に図表形式で示す。一般に数字80で示すコンステレ
ーションパターンは、前出の16−QAMおよび32−
QAMのマトリックスに対応する。具体的に16−QA
Mの例を説明すると、破線の四角90の中に16個のコ
ンステレーション点がある。これらのコンステレーショ
ン点は、図5でトークン82、84、86、88によっ
て示される4つのサブセットに分割される。各サブセッ
トは4つのコンステレーション点を含む。こうして、白
丸で示したサブセット82の場合、四角90の中に4つ
の点82a、82b、82c、および82dがある。サ
ブセット自体は、図6に数字92で示す2つの符号化ビ
ット(QPSKビット)m0 、m1 によって定義され
る。16−QAMの場合、各サブセット内の特定の点
は、図6に数字94で示す「未符号化」ビットm2、m
3によって識別される。こうして、82cはサブセット
00、このサブセット内の点011として定義される。
84a、86a、および88a等、残りの各コンステレ
ーション点も同様に識別される。
【0041】32ビットQAMの場合、破線の四角90
の外側の16個の点が追加される。これらの点も同様に
ラベル付けされるが、この場合は図6に94で示す3つ
のビットm2 、m3 、m4 が全部使用される。このよう
な方法のラベル付けをより高レベルのQAMに拡張でき
ることは理解されよう。
【0042】本発明で使用するラベル付け構造の特徴
は、図5に示すように、各QPSKシンボルのハミング
重みが、ユークリッド重みを因数xで割った値に等しい
ということである。ただし、xはコンステレーション点
間の(最小距離)2に対応する。実施例では、図4に示
すように、各直角通信路(quadrature channels)で
1、−1、3、−3、5、−5のQAMレベルにコンス
テレーション点があるので、コンステレーション点間の
最小距離は2であり、ハミング重みはユークリッド重み
を4で割った値に等しい。
【0043】図3は、本発明によるQAMトレリス復調
器の実現を示す。受信したシンボルデータは、入力端子
60から枝刈回路62に入力される。枝刈回路62は復
元された変調関数を処理して、QPSK符号語によって
定義されるサブセットに対応するメトリックの組を生成
すると共に、伝送された未符号化ビットによって識別さ
れる信号点の多数の条件付き決定を表わす多数の(n−
2)ビットのサブグループを生成する。特に、4つのメ
トリックが線路66に出力し、符号化率1/2、状態数
64のビタビ復号器68に送られる。4組の(n−2)
ビットの条件付き決定は線路64に出力される。
【0044】枝刈回路62は、事前に計算されたメトリ
ックの組および様々な組の入力値である上記(数4)の
条件付き判定を含む参照用テーブルを記憶した、プログ
ラム可能読出し専用メモリ(PROM)のごとき記憶装
置で構成することができる。上記(数4)で表せる値は
PROMをアドレス指定して、対応する記憶されたメト
リックおよび決定を出力するために使用される。これに
より、超高速枝刈動作が可能になる。ビタビ復号器は、
枝刈回路から受け取ったメトリックの履歴の蓄積を用い
て、QPSK符号語を復号する。
【0045】図3に示すビタビ復号器68は、従来のQ
PSK符号化構成用に入手できる従来型の符号化率1/
2の復号器とすることができる。したがって、本発明の
復号器を実現するために、特別注文のビタビ復号器を使
用してトレリス符号を復号する必要はない。
【0046】先に述べたQAM変調器を使用するシステ
ムに軟判定QPSK復号器を組み込んだ場合の信号検出
のプロセスを考える。まず、QPSKまたはQAM信号
の硬判定検出過程で、受信信号yk=xk+wkを量子化
する。ただし、信号xkはQPSKまたはQAMコンス
テレーション(つまりMOD(m)の範囲)に属し、w
Kは雑音である。量子化関数は、下記(数7)の関係に
従って下記(数5)で示した信号と下記(数6)で示し
たデータの両方を推定する。最尤探索(ML)の場合、
可能なメッセージm∈{0,1}Nにおける対数尤度関
数−log(p(yk│MOD(m))を最小にする。
【数5】
【数6】
【数7】
ただし、p(yk |xk)は、xkを送信したときにykを
受信する条件付き確率である。ランダムメッセージの場
合、ML検出により誤りの確率が最小になる。尤も一般
的な量子化の方法は最近接点(ユークリッド)検出であ
り、これは
【数8】
を満たす。ただし、‖・‖2はユークリッド距離の2乗
(つまり2乗の和)である。相加性のガウス性雑音の場
合、最近接点検出はMLである。
【0047】符号化QPSKおよびQAMシステムで
は、符号語を効果的に復号するために、軟判定情報を復
号器に提供しなければならない。この軟判定情報はしば
しば、シンボルメトリックとして記述される。このメト
リックは、ykを受信したときに下記(数14)で示した
特定のシンボルが送信されたとする判定の品質を示す。
【数14】
最近接点復号化の場合、選択されるメトリックは、
メトリック(yk;m)=‖yk−MOD(m)‖2
となる。実際には、実現の目的のためにメトリック自体
が量子化される。例えば、可能な各メッセージm1,m0
∈{0,1}2に対するQPSKでは、最近接点メトリ
ック‖yk −MOD(m1,m0)‖2は、相加性ガウス
性雑音のMLメトリックである。
【0048】軟判定復号可能なQPSK符号に基づくト
レリス符号化QAM変調では、4個のシンボルメトリッ
クおよび4個の条件付き硬判定を復号器に供給しなけれ
ばならない。下記の(数9)で示したm1,m0∈{0,
1}2の各選択に対する最近接点検出では、条件付き硬
判定は最小値を得るm n-1 ,...,m 2 の選択に対応
する。
【数9】
シンボルメトリックおよび条件付き硬判定を決定するプ
ロセスは、枝刈りとして知られている。トレリス符号化
QAMでは、未符号化ビットはトレリスの「並列」ブラ
ンチとして現われ、シンボルメトリックの計算および条
件付き硬判定により、単独の最適ブランチ以外を全部、
並列エッジの組から枝刈りする。
【0049】枝刈りは、先に述べたQAM変調マトリッ
クスによって容易に説明される。枝刈り動作は、マトリ
ックスの各列の受信シンボルykの量子化を含むだけで
ある。すると条件付き硬判定が各列の最適選択になり、
メトリックはその判定の品質に対応する。
【0050】枝刈り動作が完了すると、軟判定情報がQ
PSK符号の復号器に入力される。(この時間中に、条
件付き硬判定が記憶され、QPSK判定を待つ。)QP
SK復号器は軟判定情報を用いてQPSK情報(つまり
m1,m0s)を復号する。その後、残りの情報(つまり
m n-1 ,...,m2s)が、復号されたQPSK情報
およびそれまでに記憶された条件付き硬判定を用いて、
周知の方法で決定される。
【0051】QPSK復号器がMLであれば(QPSK
変調の場合)、上記の枝刈り/QPSK復号法もまたM
Lである。例えば、QPSK符号が最近接点(つまりビ
タビ)復号化による2進畳み込み符号であるならば、Q
AMトレリス復号アルゴリズムもまた最近接点である
(つまり、受信シーケンスに最も近い符号語を探索す
る)。
【0052】図3に示す実施例では、枝刈回路62から
出力されるメトリックスは復号器68によって復号さ
れ、図2の符号器の線路46に出力された単独ビットに
対応する単独ビットを復元する。このビットは符号率1
/2、状態数64の畳込み符号器70(図2の符号器4
8と同一)で再符号化され、2ビットQPSK符号語を
再生する。再生された符号語は、サブグループが復号器
68によって導入された遅延と等しい時間量だけ遅延バ
ッファ72によって遅延した後、枝刈回路から出力され
た4つの(n−2)ビットのサブグループの1つを選択
するのに使用される。選択された(n−2)ビットのサ
ブグループは次に、並直列変換回路76で復号器68か
ら復元された単独ビットと結合され、トレリス復号出力
を生成する。
【0053】図1に関連して述べたように、復号した出
力は穏当なシンボル誤り率を示すが、これを外側復号器
によってさらに改善しなければならない。このように、
復号出力をデインターリーバ38およびリード−ソロモ
ン外側復号器36(図1)によってさらに処理し、元の
情報ビットを復元する。
【0054】t−誤り訂正の場合の任意の入力シンボル
誤り率に対する出力ビット誤り率の推定値を、リード−
ソロモン符号は簡単に計算することができる。q=2l
の有限体における(拡張)リード−ソロモン符号は、パ
ラメータ(nRSk,t)を有する。ただしブロック長n
RS≦q+1、寸法k=nRS−2t、誤り訂正能力は誤り
t個である。入力シンボル誤り率Pinを持つ無記憶シン
ボル誤り通信路の場合、出力シンボル誤り率は、次式
(数10)
【数10】によって限定することができる。次に、次式(数11)
【数11】
によって出力ビット誤り率を近似化する。さらに、リー
ド−ソロモン符号のlビットのシンボルが、より小さい
nビットのシンボル(例えば、トレリス符号化QAM変
調の復号シンボル)から構成される場合、入力誤り率は
次式(数12)
【数12】
となる。ただし、Pmodはnビットのシンボルの誤り率
である。符号化変調を使用する場合、「無記憶」通信路
を保証するためには、挟込みの使用が必須である。
【0055】図7は、従来の符号化率2/3の符号を使
用して復号した場合と、本発明に従ってトレリス符号化
QAMの符号化率1/2のQPSK構成を使用した場合
の2通りの連結システムの性能を示す。図7のグラフ
は、受信信号の搬送波対信号比(CNR)に対するリー
ド−ソロモンブロック誤り率を表わしている。1つのブ
ロックでmビットのシンボルが1つ以上誤り状態になる
と、ブロック誤り(つまり符号語誤り)が発生する。曲
線100は、符号化1/2,状態数64の本発明による
連結リード−ソロモントレリス符号化16−QAMシス
テムの性能を示す。曲線104は、トレリス符号化32
−QAMを用いた同様のシステムの性能を表わす。曲線
102は、符号化2/3、状態数16の従来のトレリス
符号化16−QAM復号器の性能を表わす。曲線106
は、符号化2/3、状態数16の従来のトレリス符号化
32−QAM復号器の性能を表わす。
【0056】図7の曲線は、トレリス符号化シミュレー
ションの結果を用いて、mビットのリード−ソロモンシ
ンボルが誤りPRSsymになる確率を推定した後、次式
(数13)
【数13】
に従ってリード−ソロモンブロック誤りの確率を計算す
ることによって決定したものである。ただし、Lはリー
ド−ソロモンブロック長(1ブロック当りのmビットの
シンボル数)であり、tは1ブロック当りの訂正可能な
リード−ソロモンシンボル誤り数である。16−QAM
システムは8ビットのシンボルを1ブロック当り116
個使用し、32−QAMシステムは8ビットのシンボル
を1ブロック当り155個使用する。どちらのリード−
ソロモン符号も、8ビットのリード−ソロモンシンボル
を1ブロック当り最高5個まで訂正することができる。
【0057】図7の曲線は、システムを特定のCNR以
下で作動したい場合、あるいはそうする必要がある場合
には、曲線100、104で表わした本発明によるトレ
リス符号化法が明らかに正しい選択であることを示す。
しかし、CNRが高いときでも、トレリス復号器は従来
のQPSKビタビ復号回路チップを使用して、費用効果
の高いトレリス復号器を製造することができるので、本
発明のトレリス符号化法は優れた選択である。
【0058】図8は、ディジタルHDTV通信システム
の基本的構成部品を示す。HDTV符号器110は、制
御コンピュータ112の制御下で画像情報、音声情報、
データ、およびテキストを受信する。符号化された情報
は、本発明に従ってQAMを使用して高周波搬送波を変
調するVHF/UHF送信機114によって送信され
る。消費者の家庭で、HDTV受信機がQAM変調され
たデータストリームを受信する。チューナ116によ
り、視聴者は視聴する特定の番組を選択することができ
る。選択された番組はHDTV復号器118で復号さ
れ、HDTVモニタ120には出力画像信号を、音声増
幅器122を介してスピーカ124には音声信号をそれ
ぞれ出力する。データおよびテキストもまたモニタ12
0を介して視聴者に提供される。VHFやUHF地上伝
送に一般的なマルチパスひずみを克服するために、適応
等化回路を装備することができる。以下に詳しく説明す
るフォワード誤り訂正復号器は、受信信号の事実上全て
のランダムまたはバースト誤りを訂正する。
【0059】図9は、送信前にHDTV信号の画像部分
を符号化するために使用できるディジタル画像符号器の
ブロック線図である。画像情報源からのアナログ赤・緑
・青(R、G、B)入力は、一般に130で示す前置回
路で処理される。R、G、B入力はディジタル化される
前に、低域フィルタで濾波され、クランプ処理される。
低域フィルタは、折返し成分やその他のスプリアス信号
を適切に除去するように設計される。クランプ処理は、
水平帰線消去期間中に適切なDCレベルを回復する。
【0060】アナログ−ディジタル変換後、R、G、B
信号はYUV色空間に変換される。クロミナンス情報の
解像度は、知覚される画像品質にはわずかな影響だけ
で、輝度の解像度に相対的に低下することができる。U
およびVのクロミナンス成分は、水平方向で4分の1、
垂直方向で2分の1に抑制される(デシメーション)。
【0061】水平方向のデシメーションは、例えばサブ
サンプリングの前にディジタルFIRフィルタを適用す
ることによって達成することができる。水平方向の内挿
は、復号器でゼロ埋め込みを実施し、利得を4倍にして
同じフィルタリングを適用することによって実施する。
垂直方向の1/2のデシメーションは、フィールドを1
つおきに捨てることによって達成する。復号器は、各ク
ロミナンスフィールドを2回繰り返すことによって、イ
ンターレースされた信号を復元する。2つの異なるフィ
ールドにまたがる垂直方向のデシメーションは、動きの
表現を幾分劣化させるが、この劣化は容易には知覚され
ず、大きな問題にはならない。
【0062】輝度信号(Y)は、クロミナンス前処理回
路をバイバスする。従って、完全な解像度が維持され
る。次に、マルチプレクサ132で一度に1画像ブロッ
クづつクロミナンス成分と輝度成分を多重化する。次
に、全ての成分を同一の圧縮処理にかける。復号器で
は、成分を再び分離し、クロミナンス信号を内挿し戻し
て完全な解像度にする。
【0063】画像信号は、離散余弦変換(DCT)を用
いて2つの異なる経路で圧縮する。最初の"PCM"経路
では、画像を133でDCT変換し、生成された係数を
量子化回路135で量子化する。動き予測および補償法
を使用し、画像フレームの現われ方の予測に基づいて弁
別信号を提供する2番目の"DPCM"経路では、予測と
実際の画像間の差を134でDCT変換する。結果とし
て得られるDCT変換係数を量子化回路136で量子化
し、セレクタ137へ出力し、ここで、どちらの経路が
最小数のビットを生成したか等の所定の判定基準に基づ
き、PCMまたはDPCMのどちらかの経路から、量子
化された係数を選択する。画像データの各ブロックに選
択された係数は、可変長符号器138に入力する。これ
は、例えば従来型のハフマン符号器で構成することがで
きる。可変長符号語を先入れ先出しレジスタ140に出
力し、そこからさらに送信機へ出力する。
【0064】DCTは、1ブロックの画素を新しいブロ
ックの変換係数に変換する。好適実施例では、8×8の
ブロックサイズを使用する。その理由は、このサイズを
越えると、変換符号化の効率があまり向上しないのに、
複雑度がかなり高くなるためである。次に、変換をそう
した各ブロックに適用し、画像全体を変換する。復号器
では逆変換を適用して、元の画像を復元する。
【0065】エネルギを少数の係数に圧縮するのにDC
Tが効果的でなくなる場合がある。例えば、入力信号が
白色雑音の場合、画像エネルギは変換後も、画素領域内
にあったときと変わらないほどランダム配分される。こ
うした条件下では、画像の圧縮がずっと困難になり、実
際、何らかの形の偽像か何かを導入しなければ、圧縮す
ることができない。幸運なことに、こうした条件下で
は、より静かな条件下におけるより、偽像がずっと目立
たなくなる傾向がある。また、そうした条件はテレビ画
像では一般的でなく、テレビ画像では通常、隣接画素間
に水平と垂直の高度な相関関係が存在する。
【0066】本発明のシステムで使用する画像圧縮技術
は、DCT係数を表わすのに必要なビット数を減少させ
るのに非常に効果的である。これらの技術は係数量子
化、可変長符号か、動きの予測と補償、動き補償とフレ
ーム内符号化の統合、および適応フィールド/フレーム
符号化を含む。動きの予測と補償技術および動きの補償
とフレーム内符号化の統合技術については、1991年
11月26日に発行された米国特許第5,068,72
4号「ディジタルテレビジョン用の適応動き補償」にも
っと詳細に説明されており、これを参照によりここに組
み込む。これらの機能を実行する回路機構150を、図
9に示す。
【0067】適応フィールド/フレーム符号化は、19
92年2月25日に発行された米国特許第5,091,
782号「ディジタル画像の連続ブロックを適応圧縮す
る装置と方法」に開示されており、これを参照によりこ
こに組み込む。1992年3月3日に発行された米国特
許第5,093,720号「インターレースしたディジ
タルテレビジョン信号の動き補償」および1991年1
0月15日に発行された米国特許第5,057,910
号「動き補償された連続ビデオ画像のリフレッシュ方法
および装置」は、本発明のシステムのごときHDTV通
信システムを実行するのに役立つさらに別の動き補償技
術を開示しており、これらを両方とも参照によってここ
に組み込む。
【0068】係数量子化は、符号化効率を向上するため
に、画像に小さい変化を導入するプロセスである。これ
は、まずDCT係数のそれぞれに重みを付け、次に復号
器に転送する8ビットを選択することによって達成され
る。各係数の重みはいったん割り当てられると固定さ
れ、変更されない。こうして、例えば各係数を最初に1
2ビットの数字として表わし、これをさらにそれぞれの
重み付けの因子で割ることができる。しかし、所望のデ
ータレートを達成するには、別のスケーリングがまだ必
要かもしれない。したがって、重みを付けた係数を量子
化因子で割る。量子化因子は量子化レベルによって決定
され、量子化レベルはシーンの複雑度と知覚特性に基づ
いて定期的に調整される。本発明の好適実施例では、量
子化レベルは0から31の範囲である。量子化レベル0
のときに最大精度になり、量子化レベル30のときに最
小精度になる。レベル31は確保されており、データが
送信されないことを復号器に知らせる。
【0069】12ビットのDCT係数を重み付け因子と
量子化因子の両方でスケーリング(基準化)した後、下
位8ビットを選択する。ほとんどの場合に、上位4ビッ
トはゼロになり、したがって情報は失われない。しか
し、重み付け因子と量子化因子が両方とも小さいとき
は、オーバフローやアンダフローの発生を防止するため
に、結果として得られる係数をクリップすることが必要
になる場合がある。
【0070】以上に示した量子化方法は、DC係数には
適用されない。量子化レベルに関係なく、DC係数の上
位8ビットが常に選択される。
【0071】量子化は、変換係数の振幅を低下すること
によって、圧縮可能性(compressibility)を向上す
る。結果を利用するために、可変数のビットをこれらの
係数に割り当てるアルゴリズムが必要である。可変長符
号器は統計的符号化技術を使用し、これは量子化プロセ
スとは異なり、情報を保存するので画像が劣化しない。
【0072】本発明の好適実施例では、可変長符号化に
ハフマン符号化を使用する。ハフマン符号化は、理論的
エントロピ限界に近づき、全ての可能な事象の確率の先
験的知識を与えることのできる最適統計符号化法として
よく知られている。符号器はこのような確率分布を生成
し、任意のフレームを転送する前にこれらを復号器に転
送する。次に、この表を用いてハフマン符号語を誘導す
る。発生の確率が最も高い事象に、比較的短い符号語が
割り当てられる。復号器も同一のコードブックを維持し
ており、各符号語を実際の事象に突き合わせることがで
きる。ハードウェアを単純にするために、処理された広
範囲の材料に基づいて生成された固定ハフマン表を使用
すると便利である。ハフマン符号化については、上述の
W.パイクの「ディジサイファ−完全ディジタルの通信
路互換性HDTV放送システム」」と題する記事に詳細
に記述されている。
【0073】本発明の動き予測および補償サブシステム
150は、まず次のフレームがどのように現われるかを
予測し、次に予測と実際の画像との差を送信することに
よって画像情報を圧縮する。適正な予測値は単なる前の
フレームである。この種の時間差動符号化(DPCM)
は、動きがほとんど無い場合、あるいは空間的な細部が
ほとんど無い場合には、非常によく機能するが、その他
のときには、あまり効果的ではなく、場合によっては、
次のフレームを予測せずに単に符号化しただけのとき
(PCM)より悪くなることもある。
【0074】動き補償は、動きが発生するときに時間圧
縮構造の性能を改善する手段である。動き補償を適用す
るには、その前のフレーム以後に何が動いたか、またそ
れがどこに動いたかを決定することがまず必要である。
この情報が符号器側が分かれば、次に、前のフレームを
移動または変位させ、まだ転送されていない次のフレー
ムをより正確に予測することができる。符号器は復号器
と同一予測を再生した後、予測と実際の画像との差を決
定する。動きの予測に使用されるモデルに動きが一致し
た場合、および動きの予測が正確であり、信号に雑音が
無い場合には、この誤りは実際にゼロとなる。
【0075】前のフレームの変位は、フレーム、部分フ
レーム、または画素単位で実行することができる。つま
り、各フレーム、部分フレーム、または各画素のそれぞ
れに一意の変位(動きベクトル)を生成することができ
る。しかし、1フレーム当り単独の動きベクトルを生成
することは、画像全体の単純なパン動作をモデル化する
ことができるだけであるので、その有用性は制限され
る。理想的には、各画素に一意の動きベクトルを生成す
る。しかし、動き予測は複雑なプロセスであり、次のフ
レームの知識が要求されるので、符号器でしか実行する
ことができず、復号器で利用可能な画素当りの動き情報
を作成することに含まれるオーバヘッドは過剰になる。
したがって、4つのDCTブロックに等しい横寸法およ
び2つのDCTブロックに等しい縦寸法を持つ「スーパ
ーブロック」に等しい部分領域を選択し、部分フレーム
単位で動き予測を実行することが望ましい。この大きさ
は、クロミナンス成分の水平サブサンプリングの4倍お
よび垂直サブサンプリングの2倍と互換性があり、同じ
動きベクトルを単独クロミナンスDCTブロックを変位
させるために使用することが可能である。
【0076】図9の符号器ブロック線図に示すように、
動き補償回路機構150は、セレクタ137の出力から
DCT変換134の入力へフィードバックされる構成で
結合する。同様に、復号器160(図10)の動き補償
162も逆DCT変換の出力位置に設置する。画像を直
接変換符号化する代わりに、動き補償を用いて画像の予
測をまず生成する。次に、この予測と実際の画像の間の
差を変換符号化し、変換係数を正規化し、統計的に符号
化する。動き予測を誘導する2つのフレームの2番目は
常に、復号器によって再生された後に現われる前のフレ
ームである。したがって、符号器は復号器の処理のモデ
ル、つまり復号器の構成部品162に匹敵するフレーム
遅延および動き補償回路を含む。
【0077】先に述べたように、動き補償を使用して差
を符号化する代わりに、ブロックを直接PCM符号化す
ることによって、ビットレートがより低くなることがた
まにある。したがって、最小可能なビットレートを得る
ために、符号器は2つの方法のそれぞれに必要なビット
数を決定し、次にブロックごとに所用ビット数が最小の
方法を選択する。復号器にその選択を通知するために必
要なおーばヘッドは、1ブロック当り1ビットである。
【0078】HDTV伝送システムでは、多数の様々な
テレビ番組が、伝送のために共通データストリームとし
て一つに多重化されるようになることを理解すべきであ
る。符号器における各単独チャネル画像処理部は、可変
速度のハフマン符号化データをチャネル伝送に必要な固
定出力レートに整合させるために、レートバッファを装
備する必要がある。このレートバッファは、図9に示す
ように1フレームFIFO140として実現することが
できる。FIFOの総記憶量は、±1画像フィールドの
変動を処理するのに充分な大きさである。
【0079】画像出力バッファFIFOのオーバフロー
またはアンダフローを防止するために、FIFO入力ブ
ロックレートを絶えず調整することが必要である。これ
は、多重量子化レベル符号化構造を使用して達成され
る。量子化レベルが上昇すると、量子化は粗になり、ブ
ロックは短くなり、FIFO入力ブロックレートは高く
なる。量子化レベルが最小レベルのゼロまで低下する
と、量子化は密になり、ブロックは長くなり、FIFO
入力ブロックレートは低くなる。この調整には、FIF
Oへのビットレートを比較的一定に維持するという必須
効果がある。バッファの状態は継続的に監視され、格納
されたブロック数が所定のウィンドウ以内に維持される
限り、量子化レベルは変化しない。バッファレベルが低
しきい値以下まで降下するか、あるいは高しきい値以上
に上昇すると、量子化レベルがそれぞれ低下または上昇
する。非常に単純な画像の伝送中にアンダフローの発生
を防止するために、埋め込みビットをチャネルに挿入す
ることができる。対応するFIFO 164を、可変長
復号器の前の復号器(図10)に装備する。復号器もま
た、一般に170で示されるクロミナンスプロセッサを
含み、必要なRGB出力を再生する。
【0080】図11は、圧縮画像データを伝送するため
に使用する基本的な通信システムブロックを示す。これ
らは、送信側にFEC符号化180、送信フィルタ18
2、およびQAM変調を含む。伝送路によって生じる干
渉および雑音は、それぞれ186、180で示す。受信
側には、復調器190、受信フィルタおよび適応量子化
回路192、トラッキングサブシステム194、および
FEC復号器196が装備されている。フィルタ182
および192は、パルス整形に使用する。適応量子化
は、一般的なVHFまたはUHF受信に見られる反射
(マルチパス)を処理するために使用する。
【0081】先に詳細に述べた連結トレリス符号化およ
びブロック符号化構造を用いて、伝送路誤りの影響に対
して防護する。2つの別個のインターリーバを使用する
FEC符号器の特定の実施例を、図12に示す。また、
対応するFEC復号器の実施例を図13に示す。図にあ
るように、FEC符号器はリード−ソロモン符号器20
0を含み、その後に第1インターリーバ202が続き、
リード−ソロモン外側符号によって生成されたシンボル
を第1インターリーブフォーマットに従ってインターリ
ーブする。インターリーブは、トレリス内側符号によっ
てその後に発生する可能性のあるバースト誤りを分散す
る効果を持つ。トレリス符号器204は、IおよびQ信
号成分を第2インターリーバ206に出力し、ここで、
トレリス内側符号によって生成された符号化信号を第2
インターリーブフォーマットに従ってインターリーブす
る。これは、その後に符号化信号の伝送路に沿って発生
する可能性のあるバースト誤りを分散する効果を持つ。
【0082】復号器で、符号化信号はインターリーバ2
10によって処理され、圧縮画像情報を表わすインター
リーブされたリード−ソロモンシンボルを復元するため
に、トレリス復号器212へ送られる。トレリス復号器
212(例えば、16−QAMの場合には符号化率3/
4、32−QAMの場合には符号化率4/5)は、軟判
定の使用を容易にサポートするので、内側符号に使用す
る。トレリス復号器によって復元されたリード−ソロモ
ンシンボルは、別のデインターリーバ214でデインタ
ーリーブされた後、リード−ソロモン復号器216に入
力される。
【0083】リード−ソロモン復号器216(例えば、
16−QAMの場合には符号化率106/116、t=
5、32−QAMの場合には符号化率145/155、
t=5)は、トレリス復号器によって発生するバースト
誤りを内蔵バースト誤り訂正能力で処理できるので、外
側符号に使用する。
【0084】例えば平均最小二乗(LMS)アルゴリズ
ムを使用する適応等化回路を受信機に装備することがで
きる。こうした等化回路は、雑音、マルチパス、および
干渉の存在時に軟判定のための信号コンステレーション
を最適化するように係数が常時調整される、256タッ
プ復号FIR(有限インパルス応答)フィルタを用いて
構成することができる。適応等化回路は、NTSC干渉
除去を向上するために、画像、色、および音声搬送周波
数で干渉NTSC信号のノッチフィルタリングを自動的
に行なうように設計することができる。
【0085】これで、本発明が、圧縮高精細度テレビジ
ョン信号のごとき、出力と帯域が制限された信号のデジ
タル伝送用の実用的システムを提供するものであること
がよく理解されるはずである。QPSK変調の符号に基
づく符号化変調構成を、QAMに基づく変調システムに
直接組み込み、トレリス符号化QAMを形成する。これ
により、帯域効率とデータ信頼性が両方とも高く、容易
に実現可能な構造が得られる。
【0086】本発明を特定の実施例に関連して説明して
きたが、当業者は、特許請求の範囲に記載された本発明
の精神および範囲から逸脱することなく、実施例に多く
の適応や変形が可能であることを理解されよう。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0001] The present invention was filed on July 26, 1991.
Of U.S. Patent Application No. 07 / 736,738
It is a continuation application.
[0002]
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a trellis-coded orthogonal
Regarding width modulation (QAM), more specifically, QAM transmission
It relates to a practical method of encoding the transmission. The present invention, in particular,
Pressure in high definition television (HDTV) systems
The present invention can be applied to transmission of a reduced image signal.
[0003]
2. Description of the Related Art For example, high definition television (HDT)
V) For each digitized image signal used for signal broadcasting
Digital data is used for VHF and UHF ground communication
It can be transmitted to the end user via the analog transmission path.
In analog transmission lines, the input waveform is distorted or deformed.
Transmitted. Waveform distortion is usually statistical
However, dark noise, impact noise, fading, etc. may occur
As such, they may be additive and / or synergistic. Biography
The deformation caused by the transmission path is frequency conversion, nonlinear
Or harmonic distortion and time dispersion.
[0004] Digital data is transmitted through an analog transmission path
This can be done, for example, using pulse amplitude modulation (PAM).
Modulate data. Generally, quadrature amplitude modulation (QAM)
Data that can be transmitted within the bandwidth of the available channel.
Increase the amount of data. QAM is a type of PAM,
The number of bits information contains, for example, 16 or 32 points
One pattern called "constellation"
Are transmitted together.
In the case of pulse amplitude modulation, each signal is transmitted
Pulse with an amplitude level determined by the
You. 16pointIn QAM, typically each quadrature channel is-
Use symbol amplitudes of 3, -1, 1 and 3. Ma
In 32-bit QAM, generally, -5, -3, -1,
Use 1, 3, and 5 symbol amplitudes. Digital
The bandwidth efficiency of a telecommunications system is the transmission rate per second per unit bandwidth.
It is defined as the number of transmission bits. That is, the data for the bandwidth
It is the ratio of tarates. High data rate and small
In applications where occupied bandwidth is required, bandwidth efficient
A tuning system is used. QAM is a band-efficient modulation
It is.
[0006] On the other hand, four types commonly found in satellite communication systems
Modulation methods such as phase shift keying (QPSK)
Well established and understood. QPSK is better than QAM
A simple constellation pattern is obtained. In particular,
Constellation pattern used in QPSK system
Are generally equal in phase with a phase difference of 90 degrees from each other.
It contains only four symbols of width. Therefore, four
The symbols are evenly spaced around the circle.
In QPSK modulation, band limitation is a major problem.
Suitable for systems with no but limited output. one
On the other hand, in QAM modulation, the output requirement is not a major issue
Is advantageous in systems where is limited. Therefore, QP
SK is used as an excellent method in satellite communication systems.
Has been used. On the other hand, QAM is for ground and cable systems.
Suitable for systems. As a result of the spread of QPSK, trellis marks
An integrated circuit that realizes encrypted QPSK modulation has already been made.
And can be easily obtained.
[0008] Trellis coded modulation (TCM) is a
Coding and modulation for digital transmission over limited channels
It has evolved as a combined technology. This is the QAM
Compared to conventional uncoded multi-level modulation,
Deliver important coding benefits without compromising bandwidth efficiency
Can be achieved. The TCM scheme uses redundant non-binary modulation,
Governs the choice of modulated signal and generates coded signal sequence
It is used in combination with a finite state encoder. On the receiving side
Is used to convert a noisy signal to a soft-decision maximum likelihood sequence decoder.
To decrypt. These schemes provide additive noise
The robustness of digital transmission has been
Tone can be increased by 3-6 dB. like this
A significant advantage is the bandwidth extension required by other known error correction schemes.
Achieved without significant or reduced effective information rates.
The term "trellis" is used for binary convolution
State transition (trellis) diagram similar to the trellis diagram of
This is because this method can be explained. the difference
Is based on the principle of convolutional coding,
This is to extend to non-binary modulation by a set.
For realizing trellis coded QPSK modulation,
Availability of components for QP
For applications such as satellite communications where SK technology is dominant
This is a great advantage for designing low-cost communication systems.
You. However, these components make QAM
To realize other coded transmission systems such as
Did not stand.
[0010] Both output and bandwidth are limited and low cost
Required components (especially low-cost data decoders)
In the required applications, traditional QAM systems are necessary
Encoder and decoder circuits are complex and relatively expensive
It seemed to be useful because of its value. In fact, QA
The M trellis encoder and decoder is a costly custom collection.
It is generally realized in an integrated circuit chip.
[0011] The output and bandwidth are limited and
Digital data communication needs low-cost solution 1
One application area is for compressed high-definition television signals.
There is digital communication. A system for transmitting compressed HDTV signals
Stem is about 15-20 megabits per second (Mbps)
Data rate, occupied band of about 5-6 MHz (conventional
According to the National Television Standards Committee (NTSC)
TV channel bandwidth), and very high data
Reliability (that is, very low bit error rate)
You. This data rate requirement is for high quality compressed television images
Arising from the need to provide. The bandwidth constraint is H
DTV signals use existing 6 MHz television channels
And must coexist with the current NTSC broadcast signal
Not by the U.S. Federal Communications Commission.
You. Full HDTV performance in a single 6MHz band
High-efficiency proprietary based on DCT variant coding
The compression algorithm isIEEE minutes for broadcastThird
Vol. 6, No. 4, pp. 245-254 (December 1990)
W. Pike's Digicipher-Fully Digital Communications
Road Compatible HDTV Broadcasting System "(W. Paik," Digiciph
er-All Digital, Channel Compatible, HDTV Broadca
st System ",IEEE Transactions on Broadcasting, Vo
l. 36, No. 4, December 1990, pp. 245-254)
Has been proposed and is incorporated herein by reference.
With the combination of the data rate and the occupied bandwidth,
Requires a modulation system with high bandwidth efficiency. In fact,
Data rate to bandwidth ratio should be around 3 or 4
No. That is, a QP having no bandwidth and a band efficiency of 2
A modulation scheme such as SK is not suitable. Higher bandwidth efficiency
A modulation scheme such as QAM is required. But first
As mentioned, QAM systems are used in high-consumption applications.
The difficulty was that it was too expensive to be realized in the field.
Very high data reliability in the HDTV field
Is required because of the highly compressed source material (that is,
(Compressed image) is vulnerable to transmission line errors. De
To concisely describe the original value of the data,
Length has been excluded. For example, one error every 24 hours
In the case of a system transmitting at 15 Mbps as less than
The bit error rate (BER) is 1012Number of transmission bits
Error must be less than one time.
The data reliability requirements are divided and cooperated (divi
de and concur) to solve the problem
The use of techniques often results in
No. In such a coding framework, two codes are used.
The "inside" modulation code cleans the transmission path and the "outside"
Transmit a reasonable symbol error rate to the decoder. The inner code is
Usually, "soft decisions" (that is, elaborately quantized transmission
Coded modulation that can be effectively decoded using
You. It is well known that the inner code is convolution or
A form of "Viterbi algorithm" using Leris code
Is a trellis decoder. The outer code is almost
In each case, the t-error correcting "Reed-Solomon" code
is there. Data rate range required for HDTV data communication
Such a Reed-Solomon encoding system operating in a
The system is widely available and can be integrated by several manufacturers.
Is realized on the road. Outer decoder passes through inner decoder
Removes the majority of symbol errors
The force error rate becomes very small.
For a more detailed description of the concatenated coding method,
G. FIG. C. Clark Jr., J.M. B. Kane co-authored "De
Error Correction Coding for Digital Communications "(1981) (G.C.
Clark, Jr. and J.B. Cain, "Error-Correction Coding
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l Coding: Fundamentals and Applications ", Prentice
-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1983)
be able to. For trellis coding,information
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Trellis Coded Modulation-Part I: Introduction, Part II:
Latest Technology "(G. Ungerboeck," Trellis-Coded Modulati
on with Redundunt Signal Sets-Part I: Introduct
ion,-Part II: State of the Art ",IEEE Communica
tions Magazine, Vol. 25, No. 2, pp. 5-21, February
1987), andIEEE Conference Proceedings on Information TheoryI
T-33 Vol. 2, No. 177-195 (March 1987)
A. R. Calderbank, N.M. J. A. Sloan
"New Trellis Codes Based on Lattice and Coset Systems" (A.R.
Caulderbank and N.J.A.Sloane, "New Trellis Codes
Basedon Lattices and Cosets ",IEEE Transactions o
n Information Theory, Vol.IT-33, No. 2, pp. 177-19
5, March 1987). Viterbials
For the gorhythm,IEEE BulletinVolume 61 Issue 3
G. (March 1973). D. By Forney Jr.
"Viterbi Algorithm" (G.D. Forney, Jr., "TheVite
rbi Algorithm ",Proceedings of the IEEE , Vol. 61,
No. 3, March1973). Lead-Solo
For the Mont coding scheme, see Clark Jr.
(Clark, Jr. et al) and Lin et al.
Is discussed in the article.
[0016]
SUMMARY OF THE INVENTION
Error rate performance at the output of the inner modulation code
It largely depends on the noise-to-noise ratio (SNR). Some codes are SN
The performance is good when R is low, the error rate is low,
The signal performs better when the SNR is high. That is, concatenation
Modulation codes for both coding and non-concatenated coding systems
Different solutions for different SNR ranges
It means that you need it.
In the HDTV broadcasting system, the coverage
(Effective range) / Characteristics where station spacing and video quality conflict with each other
You need to find the best balance
is there. Low-order QAM (eg, 16-QAM)
Due to the performance characteristics of low wave-to-noise ratio, high-order QAM
Provide higher coverage (eg, 64-QAM),
Station intervals can be made tighter. On the other hand, higher QAM
Has higher image quality than low-order QAM
provide. Which order of QAM to choose depends on the terrain
And available / authorized transmitter outputs and channels
Very often depends on the conditions of these
Parameters can very often be determined by the sender
QAM that can automatically select the QAM transmission mode
It can be equipped with a communication system. Such a cis
The system will of course automatically determine the order of the QAM used at the transmitter.
Equipped with a receiver that can detect with high reliability
You must be able to receive the signal correctly. This
A system that provides these features is described in March 24, 1992.
U.S. Patent issued as commonly assigned co-pending application
Application No. 07 / 852,330 "Mode-selective orthogonal vibration
Width Modulation Communication System ", by reference
Incorporate here.
For communication of HDTV signals including compressed images
Data modulation systems with high bandwidth efficiency and low output requirements
It would be advantageous to equip the system. Such a system
High data with minimum occupied bandwidth and very high data reliability
Must have tallate. Mass production at low price
The complexity of the receiver used in these systems
Must be minimized. The system is individualized
Components as easily as possible
Must be able to be realized using
The present invention provides a modulation system having the above advantages.
I will provide a. In particular, the method and apparatus of the present invention provide
Trellis coded QPSK system without sacrificing reliability
The range of the stem is trellis mark especially useful for HDTV communication.
Extends to encrypted QAM systems.
[0020]
According to the present invention, high definition is provided.
A method for transmitting a television signal is provided. HDT
The image portion of the V signal is divided into PCM video data blocks.
Crack. Process the block using motion prediction and compensation,
Generate DPCM data. Based on predetermined criteria
PCM image data and DPCM for each block
One of the data is selected for transmission. For example, send
Choose an alternative that produces the least number of bits for
Can also be. The selected data is transformed using the discrete cosine transform
To generate a block of transform coefficients. Then this
Is quantized to increase its coding efficiency. Quantized transformation
The permutation coefficients are then variable-length coded. Resulting
Coefficients are represented by Reed-Solomon outer code and trellis inner code
For encoding and transmission using an encoding structure concatenated with
Is generated. Code using quadrature amplitude modulation
The coded signal.
In the preferred embodiment, the Reed-Solomon outer code
Symbols generated by the first interleaving
Interleave according to the
Bursts that can be caused by the Leris inner code
Disperse errors. The sign produced by the trellis inner code
The encoded signal according to the second interleave format
Interleaved, and then to the encoded signal transmission path
Distribute burst errors that may occur along the
You.
It contains compressed image information and uses quadrature amplitude modulation.
In the case of a high-definition television signal transmitted by
Receiving a carrier that includes a signal. Demodulates the received carrier
To restore the interleaved modulation function containing the compressed image information
I do. The reconstructed modulation function is then deinterleaved,
Decode with inner trellis decoding algorithm of concatenated decoder
Interleaved leads representing compressed image information
-Restore Solomon symbols. Restored lead-source
De-interleave the Romon symbols outside the concatenated decoder
Input to the Side Reed-Solomon decoding algorithm. Lee
The De-Solomon decoding algorithm is deinterleaved.
Variable-length coding coefficient from the obtained Reed-Solomon symbol
Restore. Decode the restored variable-length coded coefficients, and
The transform coefficient representing the image information is restored. Next, the conversion coefficient
Is inversely converted to the PCM and DPCM formats.
At least one image data is restored. Restored
DPCM data processed using motion compensation and restored
The PCM image data represented by DPCM is restored. Return
Source PCM image data to an HDTV
Format for output to the transceiver.
The present invention further provides a specific HDTV signal.
It also provides a QAM transmission structure. QAM controller consisting of N points
Divide the stellation pattern into four subsets
You. Each subset has N constellation patterns
/ 4 symbol points. Each of the four subsets
Are assigned different 2-bit codewords. Transmission
Is converted to a binary convolutional coding algorithm with a coding rate of 1/2.
By processing the first bit of the symbol
Encoded in the constellation pattern.
2-bit code assigned to the subset in which the symbol exists
Generate a word. This 2-bit codeword is used as the remainder of the symbol.
And a modulation function to generate a modulation function. remaining
Bits are included in the subset defined by the codeword.
One of the N / 4 symbol points
It is something to make. Change the carrier for transmission over the communication path.
Modulate with a tonal function.
In the embodiment shown, the 2-bit codeword is
Construct the least significant bit of the modulation function
Defines a column in the matrix of pattern coordinates. Remaining
The bits make up the most significant bit of the modulation function,
Determine the size of the translation pattern. Place of connection method
If the information bits are first, for example, Reed-Solomon codes
Using a t-symbol error correction code such as
Encoding. These encoded symbols are then
To the trellis encoder, where the desired modulation on the carrier is
Do.
After transmitting the modulation function, it is restored on the receiving side.
I will. Pruning the reconstructed modulation function to a subset
Generate a corresponding set of metrics and leave the remaining bits
Display the various conditional decisions of the signal points identified by
Generates many bytes to pass. This metric is
Algorithm for Decoding Binary Convolutional Code with Half Rate
(E.g., the Viterbi algorithm)
Restore The reconstructed first bit is calculated by coding rate 1 /
2 used in the binary convolutional encoding algorithm
To play. In response to the reconstructed codeword, a conditional decision
Select one of the constant bytes. Next, the selected byte is
Decoded output in combination with the first recovered bit
Generate
The present invention further provides a DAM for QAM transmission.
An apparatus for encoding digital data is provided. The encoder is
The symbol to be transmitted is identified by the first bit and at least one
And parsing means for decomposing the bits into bits. Also,
Binary convolutional coding algorithm with coding rate 1/2
Encoded in rhythm, NpointQAM constellation par
2-bit code defining one of the four subsets of turns
Equipped with means to create words. Each subset is
N / 4 symbol points of the stellation pattern
PiecesWithoutIncluding one. Map the codeword with the remaining bits and modulate
Generate a function. Remaining bits defined by codeword
1 of N / 4 symbol points included in the subset
One to the symbol. Also, when transmitting over a communication path,
For this purpose, a means for modulating a carrier with a modulation function is provided. Further
The information bits using an error correction algorithm
To generate symbols that are decomposed by
Outer encoders can be provided.
In the embodiment shown, the codeword is the modulation function
Forming the least significant bit, the constellation pattern
Define the columns of the coordinate matrix of the button. Remaining bits
Constitutes the most significant bit of the modulation function and constellation
Determine the size of the action pattern. Encoding means trellis
A coding algorithm can be used.
A decoding device is also provided according to the invention. Receiving
Machine demodulates the received carrier andpointQAM modulation function
To restore. In this modulation function, a 2-bit codeword
Assigns one of many QAM constellation subsets
Identify and rest (nThe bit portion of -2) is the one sub-section.
Represents one signal point in the set. In addition, the restored changes
Pruning the tonal function and matching the subset
Generate a corresponding set of metrics, and (n-2) bit
Multiple conditional decisions of signal points identified by
Multiple (n-2) Create subgroup of bits
Equipped with pruning means. This metric is encoded
Used to decode binary convolutional codes with a rate of 1/2.
To restore the first bit. Next,
The first bit is a binary convolutional coding algorithm with a coding rate of 1/2.
Encode using a algorithm and reproduce the codeword. Further
In response to the reproduced codeword, a number of (n-2)
Equipped with a means to select one from a subgroup of
You. First bit restored selected subgroup
To generate a decrypted output.
In the embodiment shown, the codeword is the modulation function
Consists of the least significant bit,
Rix columns, while selected subgroups
Constitutes the most significant bit and defines the row of the matrix
You. The pruning means uses a matrix of constellation coordinates.
Of each columnpointQuantizes the modulation function
The conditional decision value consists of an optimal selection for each column,
The set of tricks represents the quality of each choice. This metric
And decode the convolutional code using the soft decision algorithm
Use with decoders
A concatenated decoder is also provided. Example of connection method
Now, use the error correction algorithm to decode the output.
Equipped with side decoder. In the embodiment shown, the concatenated decoder
The inner decoding algorithm used for
Consists of The outer symbol error correction algorithm is
It can be composed of a code-Solomon code. At the receiver
The received carrier signal is a high definition television carrier
It can be composed of signals.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows a connection for transmitting QAM data.
1 shows an encoding system of the scheme. Digital information to be transmitted
Is connected to the input terminal 10 through a system such as a Reed-Solomon encoder.
It is input to the symbol error correction encoder 12. The encoder 12
The information is composed of a number of consecutive n-bit symbols 16.
Is converted into a code word 14. Outer convolutional code for encoder 12
Can be used, but errors can be concentrated in the transmission system.
Easy to use, only hard quantized data can be used
The fact that fast codes are desirable.
Then consists of an n-bit segment of the binary stream
Reed-Solomon code using symbols as outer code
That's the right choice. The Reed-Solomon code is
Since it depends only on the number of symbol errors in the block, n
Susceptible to burst errors within one symbol of bits
Absent. However, the performance of the concatenated system is
Degraded severely by long bursts. Accordingly
To the output of the Reed-Solomon encoder 12
The encoder 18 is installed and during the encoding operation (for individual bits
No) to insert the symbol. Purpose of pinching
Is to decompose the burst of symbol errors.
The interposed symbol is a QAM trellis code.
The signal is input to the signal generator 20. In the present invention, the encoder 20
As described in detail below, QPSK codes are trellis codes
Embedded QAM modulation system.
The output of the encoder 20 is a QAM constellation
The coordinates of the real plane (I) and the imaginary plane (Q) of the
Consists of symbols that represent One such constellation
The action point 22 is symbolically shown in FIG. This symbol
Transmitted by a conventional transmitter 24 via a transmission line 26.
It is. The transmission path introduces various distortions and delays, and the signal
Distorted before being received by receiver 28. As a result,
The coordinate value realized for the symbol is the transmitted coordinate value.
Is not strictly correlated with the received point 30
It differs from the actually transmitted point 22 of the terrain pattern.
Position. Determine the exact location of the receiving point and
Therefore, in order to obtain the data as actually transmitted,
QAM trellis using decision convolution decoding algorithm
The received data of the following equation 4 is input to the decoder 32,
Restore information. The decoder according to the invention is described in more detail below.
I do.
(Equation 4)The output decoded by the decoder 32 is
Deinterleave which has the opposite effect to interleaver 18
Is input to the server 34. Deinterleaved data
Is input to the Reed-Solomon decoder 36 and the original information
Restore bits.
In the present invention, a QPSK code is a trellis code.
Low SNR area by incorporating
Low bit error rate and high data rate when
To provide a band efficient system. Achieve this goal
QPSK code that defines one symbol for both
The code word of the signal and the “uncoded” bit are uniquely
Assign to stellations. Also, a soft decision decoder and
Determine the constellation point represented by the "uncoded" bit
Decoding the received signal by combining the
You.
FIG. 2 shows an encoder according to the invention. Day
Tabits (eg, the output of the interleaver in FIG. 1)
Input from the input terminal 40 to the conventional purging circuit 42.
You. SendnGenerated by decomposing a 1-bit symbol
The first bit is output to line 46 and
Sent to the container 48. Remainingn-2 "uncoded" bits
Output to line 442 n To the QAM mapping circuit 50
Sent. The convolutional encoder 48 converts the generator in octal
171 and 133, coding rate 1/2, number of states 64
Is used. 2-bit output of encoder 48
When(n-2) The uncoded bits are2 n -QAM photo
Sent to the image circuit,nQAM Constellation of Bit Symbols
A specific constellation point on the constellation
Used as a label for From convolutional encoder 48
The "encoded" 2-bit output of is actually QPSK
A codeword that can be used to select a constellation subset.
used. The uncoded bits are the QAM constellation
From a specific signal in the constellation subset
Used to select points.
In QAM transmission (encoding), a QPSK code
Codeword and the remaining uncoded bits in the QAM
Must be assigned to the For this purpose
The following modulation function MOD (m) (RTwoBy QAM
The labeling of the constellation points must be described.
No.
MOD: {0,1}N→ RTwo
The mapping described below has the following desirable features:
ing. (1) The influence of the ambiguity of the quadrature of QAM is QP
Appears in the SK codeword, but the uncoded bits are a shadow of ambiguity.
Unaffected (ie, the quadrature ambiguity is
Treated in the same way as stems). (2) Highest day
Git controls the size of the constellation.
Nested structure of 16/32 / 64-QAM).
16-QAM (mFive= MFour= 0), then
Consider the labeling described by the matrix of
(MFive= MFour=m Three =m Four QPSK if = 0).
(Equation 1)
32-QAM (mFive= 0), the following matrix is
to add.
(Equation 2)For 64-QAM, add the following matrix:
(Equation 3)
The output of the QPSK encoder is the highest of the modulator inputs.
Lower bit (LSB) m1m0Make up the matrix
Select a column. Most significant bit (MSB) is constellation
Determine the size of the application. No uncoded bits (m
Five= MFour= M3 = m4 = 0), QPSK is generated
You. When there are two uncoded bits (mThreemTwo), 16-Q
An AM is generated. When there are three uncoded bits (mFour
mThreemTwo), 32-QAM is generated. Uncoded bits
Is four (mFivemFourmThreemTwo), 64-QAM generated
It is. Otherwise, the QAM constellation is 9
Due to the effect of rotating by 0 degrees, the columns of the matrix
To rotate.
00 → 01 → 11 → 10 → 00;
The line does not change. That is, labeling uncoded bits
Is equivalent to 0 °, 90 °, 180 °, and 270 ° rotation
Therefore it is not affected. Right angles at the receiver (decoder)
The handling of phase ambiguity is left solely to the QPSK encoder.
You. The method used to resolve ambiguity in QPSK receivers is
QAM system using this labeling in any way
Can be directly incorporated into For example, the QPSK code itself
When the body does not change cyclically, the differential encoding of QPSK is used.
Can be used.
16-QAM and 32-Q according to the invention
Label the AM constellation pattern
Figure 4 shows a diagram. Constellation generally indicated by numeral 80
The pattern of the 16-QAM and 32-
It corresponds to the matrix of QAM. Specifically, 16-QA
To explain the example of M, 16 dashes are included in a dashed square 90.
There is a constellation point. These constellations
The points are identified by tokens 82, 84, 86, 88 in FIG.
Are divided into four subsets as shown in FIG. Each subset
The set includes four constellation points. Thus, white
In the case of the subset 82 shown by a circle, four
Points 82a, 82b, 82c, and 82d. Sa
The subset itself is composed of two encoded video elements, indicated by numeral 92 in FIG.
(QPSK bits) defined by m0 and m1
You. For 16-QAM, a specific point in each subset
Are the "uncoded" bits m2, m shown by numeral 94 in FIG.
3. Thus, 82c is a subset
00, defined as point 011 in this subset.
84a, 86a and 88a etc.
Option points are similarly identified.
In the case of 32-bit QAM, a dashed square 90
16 points outside of are added. These points as well
Labeled, in this case the three shown at 94 in FIG.
, M3, m4 are used. like this
Labeling can be extended to higher levels of QAM
It will be understood.
Features of the labeling structure used in the present invention
Is the Hamming of each QPSK symbol as shown in FIG.
Weight is equal to Euclidean weight divided by factor x
That's what it means. Where x is the constellation point
Between (minimum distance)TwoCorresponding to In the embodiment, shown in FIG.
So that on each quadrature channel
Consume to QAM levels of 1, -1, 3, -3, 5, and -5
Because there are terrain points,
The minimum distance is 2, and the Hamming weight is Euclidean weight
Divided by 4.
FIG. 3 shows a QAM trellis demodulation according to the present invention.
Shows the implementation of the vessel. The received symbol data is
60 is input to the pruning circuit 62. The pruning circuit 62 is
Process the derived modulation function and use the QPSK codeword
Generate a set of metrics corresponding to a defined subset
As well as identified by the transmitted uncoded bits.
Multiple (representing multiple conditional decisions ofn−
2) Create a subgroup of bits. In particular, the four
The trick outputs to line 66, the coding rate is 1/2, the number of states
64 Viterbi decoder 68. Four sets of (n-2)
The conditional determination of the bit is output on line 64.
The pruning circuit 62 includes a pre-calculated metric
(Equation 4)
A program that stores a reference table containing conditional judgment
Storage device such as a programmable read only memory (PROM)
Configuration. The value that can be expressed by (Equation 4) is
Addressing the PROM, the corresponding stored method
Used to output licks and decisions. to this
Thus, an ultra-high-speed pruning operation can be performed. Viterbi decoder
Using the accumulation of metric history received from the pruning circuit
To decode the QPSK codeword.
The Viterbi decoder 68 shown in FIG.
Conventional coding rates 1/1 available for PSK coding configurations
2 decoders. Therefore, the present invention
Use a custom-ordered Viterbi decoder to implement the decoder
It is not necessary to decode the trellis code using the method.
A system using the QAM modulator described above.
Signal detection when a soft decision QPSK decoder is incorporated in the system
Think of the process. First, a QPSK or QAM signal
In the hard decision detection process ofk= Xk+ WkQuantize
I do. Where the signal xkIs QPSK or QAM cons
Belongs to the teration (that is, the range of MOD (m)), w
KIs noise. The quantization function is expressed by the following equation (7).
Therefore, the signal shown by the following (Equation 5) and the signal shown by the following (Equation 6)
Estimate both data. For maximum likelihood search (ML),
Possible message m {0,1}NLog likelihood function in
Number-log (p (yk│MOD (m)) to a minimum.
(Equation 5)
(Equation 6)
(Equation 7)
Where p (yk | xk) Is xkWhen you send ykTo
The conditional probability of receiving. A place for random messages
In this case, the probability of an error is minimized by the ML detection. Likely general
A typical quantization method is nearest neighbor (Euclidean) detection.
This is
(Equation 8)
Meet. However, ‖ ・ ‖TwoIs the square of the Euclidean distance
(That is, the sum of squares). Field of additive Gaussian noise
In this case, the closest contact detection is ML.
In coded QPSK and QAM systems
Recovers the soft decision information to effectively decode the codeword.
No. must be provided. This soft decision information is often
Often described as a symbol metric. This met
Rick is shown in (Equation 14) below when yk is received.
Indicates the quality of the determination that a particular symbol has been transmitted.
[Equation 14]
For nearest neighbor decoding, the metric selected is
Metric (ykM) = ‖yk−MOD (m) ‖Two
Becomes In fact, the metric itself for implementation purposes
Are quantized. For example, each possible message m1, M0
{0,1}TwoFor QPSK,
Cookyk −MOD (m1, M0) ‖TwoIs additive Gaussian
6 is an ML metric of sexual noise.
Based on QPSK codes capable of soft decision decoding
In Leris coded QAM modulation, four symbol metrics
And provide four conditional hard decisions to the decoder
Must. M shown in the following (Equation 9)1, M0∈ {0,
1}TwoClosest point for each choice ofIn detection, conditionally hard
The decision is to get the minimum value n-1 ,. . . , M Two Supports selection
Do.
(Equation 9)
Symbol metric and conditional hard decision
Roses is known as pruning. Trellis coding
In QAM, uncoded bits are trellis "parallel"
Appear as a symbol and calculate symbol metrics and conditions.
By conditional hard decision, all except the single optimal branch,
Pruning from a set of parallel edges.
The pruning is performed by the QAM modulation matrix described above.
Can be easily explained by The pruning operation is matri
Received symbol y in each column ofkJust including the quantization of
is there. Then the conditional hard decision becomes the optimal choice for each column,
The metric corresponds to the quality of the decision.
When the pruning operation is completed, the soft decision information becomes Q
It is input to the PSK code decoder. (During this time,
The hard decision with condition is stored, and the process waits for the QPSK decision. ) QP
The SK decoder uses the soft decision information to generate QPSK information (ie,
m1, M0s) is decrypted. Then the remaining information (ie
m n-1 ,. . . , MTwos) is the decoded QPSK information
And using the previously stored conditional hard decisions,
Determined in a known manner.
If the QPSK decoder is ML (QPSK
Modulation), the above pruning / QPSK decoding method is also M
L. For example, if the QPSK code is
Tabi) If it is a binary convolutional code by decoding, Q
AM trellis decoding algorithm is also the closest
(That is, search for the code word closest to the received sequence.
).
In the embodiment shown in FIG.
The output metrics are decoded by decoder 68.
And the single bit output on line 46 of the encoder of FIG.
Restore the corresponding single bit. This bit has a code rate of 1
/ 2, convolutional encoder 70 with 64 states (encoder 4 in FIG. 2)
8) and a 2-bit QPSK codeword
Reproduce. Reconstructed codewords have subgroups of decoder
Delay bar by an amount of time equal to the delay introduced by C.68.
Output from the pruning circuit after being delayed by the
Four (n-2) Select one of the bit subgroups
Used to do. chosen(n-2) Bit size
The group is then converted by the parallel / serial conversion circuit 76 to the decoder 68.
And the trellis decoded output
Generate
As described in connection with FIG.
The power shows a reasonable symbol error rate, which is
Must be further improved by: in this way,
The decoded output is deinterleaver 38 and Reed-Solomo
Further processing by the outer decoder 36 (FIG. 1)
Restore information bits.
T—arbitrary input symbol for error correction
Read the output bit error rate estimate for the error rate
Solomon codes can be easily calculated. q = 2l
(Extended) Reed-Solomon code in the finite field of
Parameter (nRSk, t). Where block length n
RS≦ q + 1, dimension k = nRS-2t, error correction capability is wrong
t. Input symbol error rate PinMemoryless thin with
For a bol error channel, the output symbol error rate is
(Equation 10)
(Equation 10)Can be limited by Next, the following equation (Equation 11)
[Equation 11]
To approximate the output bit error rate. Furthermore, Lee
The l-bit symbol of the De-Solomon code is smaller
An n-bit symbol (eg, trellis coded QAM transform)
), The input error rate is
The following equation (Equation 12)
(Equation 12)
Becomes Where PmodIs the error rate of an n-bit symbol
It is. When using coded modulation, a "memoryless" channel
In order to guarantee, the use of pinching is essential.
FIG. 7 shows a conventional code having a coding rate of 2/3.
And trellis coding according to the present invention.
When using QPSK configuration with QAM coding rate 1/2
2 shows the performance of the two coupling systems. The graph of FIG.
Is the ratio of the received signal to the carrier-to-signal ratio (CNR).
This represents the De-Solomon block error rate. One bu
Lock causes one or more m-bit symbols to go into error state
Then, a block error (that is, a codeword error) occurs. Song
Line 100 is coded 1/2, state number 64 according to the present invention.
Concatenated Reed-Solomon Trellis coded 16-QAM system
It shows the performance of the system. Curve 104 is trellis coded 32
-Represents the performance of a similar system using QAM. curve
102 is a conventional trellis with 2/3 coding and 16 states
9 represents the performance of an encoded 16-QAM decoder. Curve 106
Is a conventional trellis coding with 2/3 coding and 16 states
Represents the performance of a 32-QAM decoder.
The curve in FIG. 7 shows a trellis coding simulation.
M-bit read-solomon
Incorrect PRSsymAfter estimating the probability of
(Equation 13)
(Equation 13)
Calculate the probability of Reed-Solomon block error according to
It was determined by Where L is Lee
De-Solomon block length (m bits per block)
Symbol number), and t is correctable per block.
Reed-Solomon symbol error count. 16-QAM
The system uses 8-bit symbols at 116 per block.
And the 32-QAM system uses 8-bit symbols
Are used per block. Which Lead-
Solomon codes are also 8-bit Reed-Solomon symbols
Can be corrected up to five per block.
The curve in FIG. 7 shows that the system
If you want or need to work below
Shows the train according to the invention represented by curves 100 and 104.
It shows that the squirrel coding method is clearly the right choice.
However, even when the CNR is high, the trellis decoder is
Using QPSK Viterbi decoding circuit chip
Can be manufactured with high trellis decoder
The inventive trellis coding method is an excellent choice.
FIG. 8 shows a digital HDTV communication system.
2 shows the basic components. HDTV encoder 110 is
Image information, audio information,
Receive data and text. Encoded information
Transforms a high frequency carrier using QAM according to the present invention.
Transmitted by the transmitter VHF / UHF transmitter 114
You. In consumer's home, HDTV receiver is QAM modulated
Receive the data stream. By tuner 116
Viewers can select specific programs to watch.
You. The selected program is decoded by the HDTV decoder 118.
The HDTV monitor 120 outputs the output image signal to the audio
The audio signal is sent to the speaker 124 via the width unit 122.
Output each. Data and text are also monitored
0 to the viewer. VHF and UHF ground transmission
Adaptive to overcome common multipath distortion in transmission
Equalization circuit can be equipped. The details are described below.
A forward error correction decoder is capable of transmitting virtually all received signals.
Correct random or burst errors.
FIG. 9 shows an image portion of an HDTV signal before transmission.
Of a digital image encoder that can be used to encode
It is a block diagram. Analog red / green from image sources
The blue (R, G, B) input is a pre-rotation generally denoted by 130
Processed on the road. R, G, B inputs are digitized
Before being filtered and clamped by a low pass filter.
Low-pass filters provide aliasing and other spurious signals
Is designed to remove appropriately. The clamping process is
Recover proper DC levels during horizontal blanking.
After analog-digital conversion, R, G, B
The signal is converted to a YUV color space. Chrominance information
Resolution has only a small effect on perceived image quality
Thus, the resolution of the luminance can be relatively reduced. U
And the chrominance component of V is 1/4 in the horizontal direction,
It is suppressed by half in the vertical direction (decimation).
The decimation in the horizontal direction is, for example,
Apply digital FIR filter before sampling
Can be achieved by Horizontal interpolation
Performs zero padding in the decoder, quadrupling the gain
This is done by applying the same filtering.
Vertical decimation by 、 equals one field.
Achieved by discarding every second. The decoder
By repeating the luminance field twice,
Restore the interlaced signal. Two different files
Vertical decimation across the field
Degrades the expression somewhat, but this deterioration is easily perceived
Not a big problem.
The luminance signal (Y) is obtained by the chrominance pre-processing
Bypass the road. Therefore, full resolution is maintained
You. Next, one image block at a time is
The chrominance component and the luminance component are multiplexed one by one. Next
Then, all components are subjected to the same compression processing. In the decoder
Separates the components again and interpolates the chrominance signal back
To full resolution.
The image signal uses a discrete cosine transform (DCT).
Compression in two different paths. First "PCM" path
Then, the image is subjected to DCT transform at 133, and the generated coefficient is
The quantization is performed by the quantization circuit 135. Motion prediction and compensation methods
Based on the prediction of the appearance of the image frame
In the second "DPCM" path, which provides another signal, the prediction and
The difference between the actual images is DCT transformed at 134. As a result
The DCT transform coefficient obtained by the quantization is quantized by the quantization circuit 136.
And outputs the result to the selector 137, where
Based on predetermined criteria, such as whether the minimum number of bits
Quantum from either PCM or DPCM path
Select the normalized coefficient. Select each block of image data
The selected coefficient is input to the variable length encoder 138. this
Can be configured with a conventional Huffman encoder, for example.
Wear. Outputs a variable-length code word to the FIFO register 140.
And then output further to the transmitter.
The DCT assigns a block of pixels to a new block.
To the conversion coefficient of the block. In the preferred embodiment, an 8 × 8
Use block size. The reason is that this size
Beyond that, the efficiency of transform coding does not improve much,
This is because the complexity becomes considerably high. Then do the conversion
Apply to each block and convert the whole image. Decoder
Now apply the inverse transform to restore the original image.
DC is used to compress the energy to a small number of coefficients.
T may not be effective. For example, if the input signal is
In the case of white noise, the image energy remains in the pixel area even after conversion.
Is randomly distributed as much as when This
Under these conditions, image compression becomes much more difficult and
If you don't introduce some form of false image or something,
Can not be. Fortunately, under these conditions
Is much more noticeable than in quieter conditions
Tends to run out. In addition, such conditions are
This is not common in images, but is usually
There is a high degree of horizontal and vertical correlation.
Image compression technique used in the system of the present invention
Reduces the number of bits required to represent the DCT coefficients
It is very effective for These technologies use coefficient quantum
Coding, variable length coding, motion prediction and compensation, motion compensation and frame
Intra-frame coding integration and adaptive fields / frames
Including encoding. Motion prediction and compensation technology and motion compensation
1991, for the integrated technology of
U.S. Pat. No. 5,068,72 issued Nov. 26.
No.4 "Adaptive Motion Compensation for Digital Television"
Are described in greater detail and are hereby incorporated by reference.
See in. The circuit mechanism 150 that performs these functions is illustrated in FIG.
It is shown in FIG.
The adaptive field / frame coding is 19
U.S. Pat. No. 5,091, U.S. Pat.
No. 782, Adaptive compression of continuous blocks of digital images
Apparatus and methods '', which is hereby incorporated by reference.
Incorporate here. US Special Issue issued March 3, 1992
No. 5,093,720 "Interlaced Digit
Motion Compensation of Digital Television Signals ", 1991/1
U.S. Pat. No. 5,057,910 issued on Jan. 15,
No. "Method of refreshing motion-compensated continuous video images
And devices ”are HDTV communications such as the system of the present invention.
Yet another motion compensation technique to help implement the communication system
Techniques, both of which are hereby incorporated by reference.
Incorporate in.
Coefficient quantization is used to improve coding efficiency.
Second, the process of introducing small changes to the image. this
First weights each of the DCT coefficients, then decodes
Achieved by selecting 8 bits to transfer to the
You. The weight of each coefficient is fixed once assigned
Is not changed. Thus, for example, each coefficient is first set to 1
Expressed as a 2-bit number,
It can be divided by a weighting factor. However, the desired data
Another scaling is still required to achieve
It may be important. Therefore, the weighted coefficients are
Dividing by factor. Quantization factor is determined by quantization level
The quantization level is based on the scene complexity and perceptual characteristics.
And adjusted regularly. In a preferred embodiment of the invention, the quantity
Childing levels range from 0 to 31. Quantization level 0
When the quantization level is 30, the maximum precision is obtained.
It becomes small precision. Level 31 is secured and data is
Inform the decoder that it will not be sent.
The 12-bit DCT coefficient is used as a weighting factor.
After scaling (normalizing) with both quantization factors,
Select the top 8 bits. In most cases, the upper 4 bits
Defaults to zero, so no information is lost. Only
When both the weighting factor and the quantization factor are small
Is used to prevent overflow and underflow
Need to clip the resulting coefficients
May be.
The above-described quantization method uses the DC coefficient
Not applicable. Regardless of the quantization level, above the DC coefficient
The eight most significant bits are always selected.
The quantization reduces the amplitude of the transform coefficient.
To improve compressibility
You. To take advantage of the result, a variable number of bits
An algorithm for assigning coefficients is needed. Variable length
The encoder uses a statistical coding technique, which is a quantization process.
Unlike information storage, the information is stored, so that the image does not deteriorate.
In the preferred embodiment of the present invention, variable-length coding
Use Huffman coding. Huffman coding is theoretical
Approaching the entropy limit, beyond the probabilities of all possible events
Optimal Statistical Coding Method That Can Give Empirical Knowledge
well known. The encoder generates such a probability distribution
Before transferring any frames to the decoder.
Send. Next, the Huffman codeword is derived using this table.
You. The event with the highest probability of occurrence has a relatively short codeword
Assigned. The decoder also keeps the same codebook
It is possible to match each codeword to the actual event.
Wear. To keep the hardware simple,
Use fixed Huffman table generated based on range of materials
Then it is convenient. For Huffman coding, see above.
W. Pike's Digicipher-Fully Digital Communications
Road Compatibility HDTV Broadcasting System "
It is described in.
The motion estimation and compensation subsystem of the present invention
150 first shows how the next frame will appear
To predict and then send the difference between the prediction and the actual image
Therefore, the image information is compressed. The correct prediction is just the previous
It is a frame. This type of time differential coding (DPCM)
Has little movement or spatial details
Works very well when there are few, but other
Is not very effective at times, and in some cases,
When the next frame is simply coded without prediction
(PCM) may be worse.
Motion compensation is based on time pressure when motion occurs.
It is a means to improve the performance of the compacted structure. Apply motion compensation
To determine what has moved since the previous frame,
It is first necessary to determine where it has moved.
If this information is known to the encoder, the next frame
Move or displace the next frame that has not yet been transferred
System can be more accurately predicted. Encoder is a decoder
After playing back the same prediction, determine the difference between the prediction and the actual image.
Set. The motion matches the model used to predict the motion
And the motion prediction is accurate and the signal is noisy
If not, this error is actually zero.
The displacement of the previous frame is determined by
It can be performed on a frame or pixel basis. Toes
Each frame, partial frame, or each pixel
A unique displacement (motion vector) can be generated
You. However, a single motion vector is generated per frame
To model a simple panning behavior of the whole image
Its usefulness is limited because
You. Ideally, generate a unique motion vector for each pixel.
You. However, motion estimation is a complex process,
Performs only at the encoder, as knowledge of the frame is required
Motion information per pixel that cannot be used by the decoder
The overhead involved in creating is excessive.
Therefore, the lateral dimensions and dimensions are equal to four DCT blocks.
"Super" with a vertical dimension equal to two DCT blocks
Select a partial area that is equal to
It is desirable to execute motion prediction in units. This size
Is four times the horizontal subsampling of the chrominance component.
Compatible with 2x vertical subsampling and same
Displace motion vector alone chrominance DCT block
It can be used to
As shown in the encoder block diagram of FIG.
The motion compensation circuit 150 receives the output from the selector 137
With the configuration fed back to the input of DCT transform 134
Join. Similarly, the motion compensation of decoder 160 (FIG. 10)
162 is also installed at the output position of the inverse DCT transform. Image
Instead of tangent coding, motion compensation is used to predict the image.
Generate measurements first. Then, between this prediction and the actual image
Transform the difference, normalize the transform coefficients and statistically sign
Become The second of the two frames that guide motion estimation
Always before frames that appear after being reproduced by the decoder
It is a theme. Therefore, the encoder models the processing of the decoder.
I.e. a frame comparable to the decoder component 162
Includes delay and motion compensation circuits.
As described above, the difference is calculated using motion compensation.
Instead of encoding the block directly into PCM
Bit rate may be lower due to
I'm right there. So get the smallest possible bit rate
The encoder needs the bits needed for each of the two methods
Number and then the minimum number of required bits per block
Choose a method. Required to inform the decoder of the choice.
It is important to note that the head is one bit per block.
In an HDTV transmission system, a number of different
A television program is used as a common data stream for transmission.
Should be understood that they will be multiplexed together.
You. Each single channel image processor in the encoder is variable
Huffman coded data at the speed required for channel transmission
A rate buffer is installed to match the constant output rate.
Need to be prepared. This rate buffer is shown in FIG.
Can be implemented as a one-frame FIFO 140
it can. The total amount of storage in the FIFO is ± 1 image field.
It is large enough to handle fluctuations.
Overflow of image output buffer FIFO
Or, to prevent underflow, use a FIFO input block.
It is necessary to constantly adjust the lock rate. this
Is achieved using a multiple quantization level coding structure
You. As the quantization level increases, the quantization becomes coarse and the
Lock is shorter, FIFO input block rate is higher
Become. Quantization level drops to minimum level of zero
And the quantization becomes denser, the blocks become longer and the FIFO
The input block rate will be lower. For this adjustment, the FIF
Essential to keep the bit rate to O relatively constant
effective. Buffer status is continuously monitored and stored
Blocks maintained within a given window
As long as the quantization level does not change. Low buffer level
Drop below threshold or above high threshold
Increase or decrease the quantization level, respectively.
I do. Underflow occurs during transmission of very simple images
Embedded bits into the channel to prevent
Can be The corresponding FIFO 164 is variable length
Equipped in the decoder (FIG. 10) before the decoder. Decoder
And a chrominance processor, generally designated 170.
Include and play the required RGB output.
FIG. 11 is for transmitting compressed image data.
1 shows a basic communication system block used in the first embodiment. this
Are FEC encoding 180 and transmission filter 18 on the transmission side.
2, and QAM modulation. Dryness caused by transmission line
Interference and noise are indicated at 186 and 180, respectively. Receiving
On the side, demodulator 190, receive filter and adaptive quantization
A circuit 192, a tracking subsystem 194, and
An FEC decoder 196 is provided. Filter 182
And 192 are used for pulse shaping. Adaptive quantization
Is the reflection seen in typical VHF or UHF reception
Used to handle (multi-pass).
The concatenated trellis coding and coding described in detail above.
And block coding structure to reduce the effects of transmission path errors.
And protect. Use two separate interleavers
A specific embodiment of the FEC encoder is shown in FIG. Also,
A corresponding FEC decoder embodiment is shown in FIG. In the figure
As shown, the FEC encoder is a Reed-Solomon encoder 20.
0 followed by a first interleaver 202,
Symbol generated by Reed-Solomon outer code
Are interleaved according to the first interleave format.
Behave. Interleaving is performed by trellis inner codes.
To distribute burst errors that may occur later.
Has the effect of Trellis encoder 204 provides I and Q signals.
The second component is output to the second interleaver 206, where
The encoded signal generated by the trellis inner code is
Interleave according to interleave format
You. This then occurs along the path of the encoded signal
This has the effect of dispersing burst errors that may occur.
At the decoder, the coded signal is supplied to interleaver 2
10 which are processed by the
Recovered Reed-To Restore Solomon Symbol
To the trellis decoder 212. Trellis decoder
212 (for example, a coding rate of 3 /
In the case of 4, 32-QAM, the coding rate is 4/5).
Support the use of the inner code.
You. Reed-Solomo reconstructed by trellis decoder
The symbol is deinterleaved by another deinterleaver 214.
Input to the Reed-Solomon decoder 216
Is forced.
The Reed-Solomon decoder 216 (for example,
For 16-QAM, coding rate 106/116, t =
5, 32-QAM, coding rate 145/155,
t = 5) is the burst generated by the trellis decoder
Since errors can be processed with the built-in burst error correction capability,
Used for side codes.
For example, a least mean square (LMS) algorithm
The receiver can be equipped with an adaptive equalization circuit that uses
Wear. Such equalization circuits include noise, multipath, and
Signal constellation for soft decision in the presence of interference
The coefficient is constantly adjusted to optimize
Using a FIR (finite impulse response) filter
Can be configured. The adaptive equalization circuit uses NTSC interference
Image, color and audio carrier frequencies for improved rejection
Notch filtering of interfering NTSC signals automatically by number
Can be designed to do so.
Thus, the present invention provides a compressed high-definition television
Digital signal with limited output and bandwidth, such as
Provide a practical system for transmission
Should be well understood. Based on the code of QPSK modulation
Modulation scheme based on QAM-based modulation system
Direct incorporation to form trellis coded QAM. this
Makes both bandwidth efficiency and data reliability both high and easy
A structure that can be realized is obtained.
The present invention has been described with reference to specific embodiments.
However, those skilled in the art will appreciate that the invention
Many examples without departing from the spirit and scope of
It will be understood that adaptations and variations of are possible.
【図面の簡単な説明】
【図1】連結符号化を使用したQAM伝送システムのブ
ロック線図である。
【図2】本発明によるトレリス符号器のブロック線図で
ある。
【図3】本発明によるトレリス復号器のブロック線図で
ある。
【図4】本発明によりサブセットに分割されたQAMコ
ンステレーションパターンを示す図である。
【図5】図4のコンステレーションパターンのサブセッ
トのラベル付けを定義する図表である。
【図6】図4のコンステレーションパターンのコンステ
レーション点のラベル付けを示す図表である。
【図7】本発明による連結符号化構成の性能を先行技術
の符号化QAM構成の性能と比較したグラフである。
【図8】本発明によるHDTV通信システムのブロック
線図である。
【図9】図8のシステムに使用するディジタル画像符号
器のブロック線図である。
【図10】図8のシステムに使用するディジタル画像復
号器のブロック線図である。
【図11】本発明によるフォワード誤り訂正(FEC)
符号化およびQAM変復調を含む伝送システムのブロッ
ク線図である。
【図12】本発明によるFEC符号器のブロック線図で
ある。
【図13】本発明によるFEC復号器のブロック線図で
ある。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram of a QAM transmission system using concatenated coding. FIG. 2 is a block diagram of a trellis encoder according to the present invention. FIG. 3 is a block diagram of a trellis decoder according to the present invention. FIG. 4 shows a QAM constellation pattern divided into subsets according to the present invention. FIG. 5 is a chart defining the labeling of a subset of the constellation pattern of FIG. 4; 6 is a chart showing labeling of constellation points of the constellation pattern of FIG. 4; FIG. 7 is a graph comparing the performance of a concatenated coding scheme according to the present invention with that of a prior art coded QAM scheme. FIG. 8 is a block diagram of an HDTV communication system according to the present invention. FIG. 9 is a block diagram of a digital image encoder used in the system of FIG. FIG. 10 is a block diagram of a digital image decoder used in the system of FIG. 8; FIG. 11 shows forward error correction (FEC) according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram of a transmission system including encoding and QAM modulation / demodulation. FIG. 12 is a block diagram of an FEC encoder according to the present invention. FIG. 13 is a block diagram of an FEC decoder according to the present invention.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H04L 27/34 H04L 27/00 E (72)発明者 スコット・エー・レリー アメリカ合衆国カリフォルニア州ルーカ ディア、ハイメタス・アヴェニュー1183 (72)発明者 クリス・ヒーガード アメリカ合衆国ニューヨーク州イタカ、 アール・ディー・ナンバー2、ウッドラ ンド・ロード4 (72)発明者 エドワード・エイ・クラウス アメリカ合衆国カリフォルニア州サンデ ィエゴ、アリアン・ドライブ2720−32 (72)発明者 ジェロルド・エイ・ヘラー アメリカ合衆国カリフォルニア州デル・ マー、ランチョ・ヴィエジョ・ドライブ 4932 (56)参考文献 特開 平3−69295(JP,A) 特開 平2−235491(JP,A) 特開 平2−195732(JP,A) 米国特許5321725(US,A) 欧州特許524625(EP,B1) IEEE TRANSACTIONS ON BROADCASTING,V OL.36,NO.4,DECEMBER 1990 WOO PAIK”DIGIC IPHER(TM)−ALL DIGI TAL,CHANNEL COMPAT IBLE,HDTV BROADCAS T SYSTEM" (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04N 7/13 - 7/24 H03M 7/30 - 13/00 H04L 27/34 ──────────────────────────────────────────────────の Continuing on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification FI FI044 27/34 H04L 27/00 E (72) Inventor Scott A. Lely Hymetas Avenue, Lukadia, California, United States 1183 (72) Inventor Chris Hegard Ithaca, New York, USA, Earl Dee Number 2, Woodland Road 4 (72) Inventor Edward A. Klaus, Ariane Drive 2720-32, San Diego, California, USA (72) Inventor Gerold A. Heller Rancho Viejo Drive, Del Mar, California, United States 4932 (56) References JP-A-3-69295 (JP, A) JP-A-2-235491 ( JP, A) JP-A-2-195732 (JP, A) US Pat. No. 5,317,725 (US, A) European Patent 524625 (EP, B1) IEEE TRANSACTIONS ON BROADCASTING, VOL. 36, NO. 4, DECEMBER 1990 WOO PAIK "DIGIC IPHER (TM)-ALL DIGITAL, CHANNEL COMPAT IBLE, HDTV BROADCAS T SYSTEM" (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H04N 7/ 13-7/24 H03M 7/30-13/00 H04L 27/34
Claims (1)
法において,前記方法が, 前記信号の画像部分をPCM画像データのブロックに分
割する段階と、 動き予測および補償を用いて前記PCM画像データのブ
ロックを処理し、DPCMデータを生成する段階と、 所定の判定基準に基づき、ブロックごとにPCM画像デ
ータおよびDPCMデータの1つを送信用に選択する段
階と、 選択されたデータを離散余弦変換を用いて圧縮し、変換
係数のブロックを生成する段階と、 前記変換係数を量子化し、その符号化効率を向上する段
階と、量子化の後に前記変換係数を可変長符号化する段
階と、 前記可変長符号化された係数を、リード−ソロモン外側
符号とトレリス内側符号の連結符号化構造によって符号
化し、送信用の符号化信号を生成する段階と、 4つのサブセットを有するN点直交振幅変調(QAM)
コンステレーションパターンから直交振幅変調(QA
M)シンボルとして 前記符号化信号を送信する段階と、 とから成り, それぞれのサブセットは,異なる2ビットの符号語で識
別されかつ前記N点QAMコンステレーションパターン
のシンボル点をN/4個ずつ含み 、前記トレリス内側符号は、前記リード−ソロモン外側符
号からのシンボルを、前記シンボルの第1ビットを符号
化率1/2の2進畳込み符号化アルゴリズムで処理する
ことによって符号化し、前記コンステレーションパター
ンで前記シンボルが存在するサブセットに割り当てられ
る2ビットの符号語を提供し 、前記2ビット符号語は、変調関数を生成するために、前
記シンボルの残りのビットと共に写像され、 前記シンボルの残りのビットは、前記符号語によって定
義されるサブセットに含まれるN/4個のシンボル点の
1つに、前記シンボルを関連させる、 ことを特徴とする方法。 【請求項2】前記連結符号化構造が、 前記リード−ソロモン外側符号によって生成されたシン
ボルを、第1インターリーブフォーマットに従ってイン
ターリーブし、その後にトレリス内側符号によって生成
される可能性のあるバースト誤りを分散する段階と、 前記トレリス内側符号によって生成された符号化信号
を、第2インターリーブフォーマットに従ってインター
リーブし、その後に前記符号化信号の伝送路に沿って生
成される可能性のあるバースト誤りを分散する段階と、 から成ることを特徴とする、請求項1記載の方法。 【請求項3】前記2ビットの符号語が前記変調関数の最
下位ビットを構成することと、 前記残りのビットが前記変調関数の最上位ビットを構成
することと、 を特徴とする、請求項1記載の方法。 【請求項4】前記方法がさらに、 前記搬送波を受信機で受信する段階と、 受信された搬送波を前記受信機で復調して、前記変調関
数を復元する段階と、 復元された変調関数を、第2インターリーブフォーマッ
トの逆を使用してデインターリーブする段階と、 デインターリーブされた変調関数を枝刈りして、前記サ
ブセットに対応する1組のメトリックを生成すると共
に、前記残りのビットによって識別される信号点の様々
な条件付き決定を表わす多数のバイトを生成する段階
と、 符号化率1/2の2進畳込み符号を復号するトレリス符
号アルゴリズムに前記メトリックを使用して、前記第1
ビットを復元する段階と、 復元された第1ビットを符号化率1/2の2進畳込み符
号化アルゴリズムを用いて符号化し,前記符号語を再生
する段階と、 前記再生された符号語に応答して、前記条件付き決定バ
イトの1つを選択する段階と、 前記選択されたバイトを復元された第1ビットと結合し
て、復号された出力を生成する段階と、 復号された出力を第1インターリーブフォーマットの逆
を使用してデインターリーブする段階と、 から成ることを特徴とする,請求項1記載の方法。 【請求項5】前記装置がさらに、デインターリーブされ
た復号出力を、リード−ソロモンシンボル誤り訂正復号
アルゴリズムを用いて復号する段階、 から成ることを特徴とする、請求項4記載の方法。 【請求項6】前記方法において、前記リード−ソロモン
復号アルゴリズムが、デインターリーブされた復号出力
から可変長符号化係数を復元し、 前記方法がさらに、 前記復元された可変長符号化係数を復号して、前記画像
部を表わす変換係数を復元する段階と、 復元された変換係数を逆変換して、PCMおよびDPC
Mフォーマットの少なくとも1つにより画像データを復
元する段階と、 復元されたDPCMデータを動き補償によって処理し、
復元DPCMデータで表わされるPCM画像データを復
元する段階と、 復元されたPCM画像データをディジタルテレビジョン
受信機への出力用にフォーマット化する段階と、 から成ることを特徴とする、請求項5記載の方法。 【請求項7】圧縮画像情報を含み、直交振幅変調(QA
M)を用いて伝送されたディジタルテレビジョン信号を
復号する方法において、前記方法が、 前記信号を含む搬送波を受信する段階と、 受信した搬送波を復調して、前記圧縮画像情報を含むイ
ンターリーブされた変調関数を復元する段階と、 復元された変調関数をデインターリーブする段階と、 デインターリーブされた変調関数を、連結復号器の内側
トレリス復号アルゴリズムで復号し、圧縮画像情報を表
わすインターリーブされたリード−ソロモンシンボルを
復元する段階と、 復元されたリード−ソロモンシンボルをデインターリー
ブし、前記連結復号器の外側リード−ソロモン復号アル
ゴリズムに入力して、デインターリーブされたリード−
ソロモンシンボルから可変長符号化係数を復元する段階
と、 前記復元された可変長符号化係数を復号して、前記圧縮
画像情報を表わす変換係数を復元する段階と、 変換係数を逆変換して、PCMおよびDPCMフォーマ
ットの少なくとも1つにより画像データを復元する段階
と、 復元されたDPCMデータを動き補償によって処理し、
復元DPCMデータで表わされるPCM画像データを復
元する段階と、 復元されたPCM画像データを、ディジタルテレビジョ
ン受信機への出力用にフォーマット化する段階と、から成り、 前記変調関数は、2ビットの符号語で多数のQAMコン
ステレーションサブセットの1つを識別し、かつ残りの
n−2ビット部で前記1つのサブセット内の信号点を表
わすN点QAM変調関数から成り、 前記方法はさらに、 復元された変調関数を枝刈りして、前記サブセットに対
応する1組のメトリックを生成すると共に、n−2ビッ
ト部によって識別される信号点の多数の条件付き決定を
表わす多数のn−2ビットのサブグループを生成する段
階と、 前記メトリックを前記トレリス復号アルゴリズムで使用
して、符号化率1/2の2進畳込み符号を復号し、第1
ビットを復元する段階と 、復元された第1ビットを符号化率1/2の2進畳込み符
号化アルゴリズムで復号し、前記符号語を再生する段階
と、 前記再生された符号語に応答して、前記多数のn−2ビ
ットのサブグループの1つを選択する段階と 、選択されたサブグループを復元された第1ビットと結合
して、リード−ソロモンシンボルを生成する段階と、 を含むことを特徴とする方法。 【請求項8】前記2ビット符号語が前記変調関数の最下
位ビットを構成することと、前記残りのビットが前記変
調関数の最上位ビットを構成することとを特徴とする、
請求項7記載の方法。 【請求項9】ディジタルテレビジョン信号を伝送する装
置において、前記装置が、 対応するDPCMデータを生成するために、動き予測お
よび補償を用いてPCM画像データのブロックを処理す
る手段と、 前記PCMブロックを、前記処理手段によって生成され
た対応するDPCMデータと比較し、所定の判定基準に
基づき、ブロックごとにPCM画像データおよびDPC
Mデータの1つを送信用に選択する手段と、 選択されたデータを離散余弦変換によって圧縮して変換
係数のブロックを提供する手段と、 前記変換係数のブロックを量子化してその符号化効率を
向上する手段と、 前記量子化手段の出力に連結して、前記変換係数を可変
長符号化する手段と、 リード−ソロモン外側符号器とトレリス内側符号器を含
み、前記可変長符号化された変換係数を符号化して送信
用の符号化信号を提供する手段と、4つのサブセットを有するN点直交振幅変調(QAM)
コンステレーションパターンからの直交振幅変調(QA
M)シンボルとして 前記符号化信号を送信する段階と、 から成り, それぞれのサブセットは,異なる2ビットの符号語で識
別されかつ前記N点QAMコンステレーションパターン
のシンボル点をN/4個ずつ含み、 前記トレリス内側符号器は、前記リード−ソロモン外側
符号器からのシンボルを、前記シンボルの第1ビットを
符号化率1/2の2進畳込み符号化アルゴリズムで処理
することによって符号化し、前記コンステレーションパ
ターンで前記シンボルが存在するサブセットに割り当て
られる2ビットの符号語を提供し, 前記2ビット符号語は、変調関数を生成するために、前
記シンボルの残りのビットと共に写像され、前記残りの
ビットは、前記2ビット符号語によって定義されるサブ
セットに含まれるN/4個のシンボル点の1つに前記シ
ンボルと関連し, 前記送信手段は前記変調関数を使用して搬送波を変調す
ること、 を特徴とする装置。 【請求項10】前記装置において、前記連結符号器が、 前記リード−ソロモン外側符号器によって生成されたシ
ンボルを第1インターリーブフォーマットでインターリ
ーブして、その後にトレリス内側符号器によって生成さ
れる可能性のあるバースト誤りを分散する第1インター
リーバと、 前記トレリス内側符号器によって生成された符号化信号
を第2インターリーブフォーマットでインターリーブし
て、その後に前記符号化信号の伝送路に沿って生成され
る可能性のあるバースト誤りを分散する第2インターリ
ーバと、 から成ること、を特徴とする請求項9記載の装置。 【請求項11】前記2ビットの符号語が前記変調関数の
最下位ビットを構成することと、 前記残りのビットが前記変調関数の最上位ビットを構成
することと、 を特徴とする、請求項9記載の装置。 【請求項12】前記装置がさらに、 前記搬送波を受信機で変調して前記変調関数を復元する
手段と、 復元された変調関数を、第2インターリーブフォーマッ
トの逆を使用してデインターリーブする手段と、 デインターリーブされた変調関数を枝刈りして、前記サ
ブセットに対応する1組のメトリックを生成すると共
に、前記残りのビットによって識別される信号点の様々
な条件付き決定を生成する手段と、 前記メトリックを受信するように連結され、符号化率1
/2の2進畳込み符号を復号して前記第1ビットを復元
するトレリス復号手段と、 復元された第1ビットを、符号化率1/2の2進畳込み
符号化アルゴリズムで符号化し、前記符号語を再生する
手段と、 前記再生された符号語に応答して、前記条件付き決定バ
イトの1つを選択する手段と、 前記選択されたバイトを復元された第1ビットと結合し
て、復号された出力を生成する手段と、 復号された出力を第1インターリーブフォーマットの逆
を使用してデインターリーブする手段と、と含む ことを特徴とする、請求項9記載の装置。 【請求項13】前記装置がさらに、デインターリーブさ
れた復号出力を、リード−ソロモンシンボル誤り訂正復
号アルゴリズムを用いて復号する手段から成ることを特
徴とする、請求項12記載の装置。 【請求項14】前記装置において、前記リード−ソロモ
ン復号アルゴリズムが、デインターリーブされた復号出
力から可変長符号化係数を復元し、 前記装置がさらに、 前記復元された可変長符号化係数を復号して、変換係数
を復元する手段と、 復元された変換係数を逆変換して、PCMおよびDPC
Mフォーマットの少なくとも1つにより画像データを復
元する手段と、 復元されたDPCMデータを動き補償によって処理し、
復元DPCMデータで表わされるPCM画像データを復
元する手段と、 前記復元DPCMデータ処理手段および前記逆変換手段
から復元されたPCM画像データを、ディジタルテレビ
ジョン受信機への出力用にフォーマット化する手段を、から成ることを 特徴とする、請求項13記載の方法。 【請求項15】圧縮画像情報を含み、直交振幅変調(Q
AM)を用いて伝送されたディジタルテレビジョン信号
を復号する装置において、前記装置が、前記ディジタルテレビジョン信号を含む搬送波を受信す
る手段と、 前記信号を含む搬送波を復調して、前記圧縮画像情報を
含むインターリーブされた変調関数を復元するQAM復
調器手段と、 復元された変調関数をデインターリーブする第1デイン
ターリーバと、 デインターリーブされた変調関数を、内側トレリス復号
器を使用して復号し、圧縮画像情報を表わすインターリ
ーブされたリード−ソロモンシンボルを復元する連結復
号器と、 デインターリーブされたリード−ソロモンシンボルから
可変長符号化係数を復元する、前記連結復号器の外側リ
ード−ソロモン復号器に入力するために、復元されたリ
ード−ソロモンシンボルをデインターリーブする第2デ
インターリーバと、 前記復元された可変長符号化係数を復号し、前記圧縮画
像情報を表わす変換係数を復元する手段と、 変換係数を逆変換して、PCMおよびDPCMフォーマ
ットの少なくとも1つにより画像データを復元する手段
と、復元されたDPCMデータを動き補償によって処理
し、復元DPCMデータで表わされるPCM画像データ
を復元する手段と、 前記逆変換手段および前記処理手段から復元されたPC
M画像データを、ディジタルテレビジョン受信機への出
力用にフォーマット化する手段と、 から成り、 前記変調関数は、2ビットの符号語で多数のQAMコン
ステレーションサブセットの1つを識別し、かつ残りの
n−2ビット部で前記1つのサブセット内の信号点を表
わすN点QAM変調関数から成り、 前記装置がさらに 、復元された変調関数を枝刈りして、前記サブセットに対
応する1組のメトリックを生成すると共に、n−2ビッ
ト部によって識別される信号点の多数の条件付き決定を
表わす多数のn−2ビットのサブグループを生成する手
段と、 復元された第1ビットを、符号化率1/2の2進畳込み
符号化アルゴリズムで符号化し、前記符号語を再生する
手段と、 前記再生された符号器に応答して、前記多数のn−2ビ
ットのサブグループの1つを選択する手段と、 選択されたサブグループを復元された第1ビットと結合
して、リード−ソロモンシンボルを生成する手段と, を含み, 前記連結復号器は,前記内側トレリス復号器での使用の
ためにメトリックを受信するように連結され、符号化率
1/2の2進畳込み符号を復号して前記第1ビットを復
元する, ことを 特徴とする装置。 【請求項17】前記装置がさらに、 前記QAM復調器と前記連結復号器との間に連結された
適応等化回路から成ることを特徴とする、請求項16記
載の装置。(57) Claims 1. A method for transmitting a digital television signal, the method comprising: dividing an image portion of the signal into blocks of PCM image data; Processing the blocks of PCM image data to generate DPCM data using the method; and selecting one of the PCM image data and DPCM data for transmission for each block based on predetermined criteria. Compressing the transformed data using a discrete cosine transform to generate a block of transform coefficients, quantizing the transform coefficients to improve their coding efficiency, and converting the transform coefficients after quantization into variable length codes. Encoding the variable length coded coefficients using a concatenated coding structure of a Reed-Solomon outer code and a trellis inner code, and transmitting Generating a coded signal, N point quadrature amplitude modulation having four subsets (QAM)
From the constellation pattern to quadrature amplitude modulation (QA
And transmitting the encoded signal as M) symbol consists city, each subset identified by a code word of different 2-bit
Separated and said N-point QAM constellation pattern
, And the trellis inner code is the Reed-Solomon outer code.
Code the symbol from the symbol, the first bit of the symbol
Process with a binary convolutional coding algorithm with a half rate
Encoded by the constellation pattern
Assigned to the subset in which the symbol exists.
Provide a two-bit codeword , said two-bit codeword being used to generate a modulation function.
The remaining bits of the symbol are mapped with the remaining bits of the symbol, the remaining bits of the symbol being defined by the codeword.
Of N / 4 symbol points included in the defined subset
In one aspect, the method comprises associating the symbols . 2. The concatenated coding structure interleaves the symbols generated by the Reed-Solomon outer code according to a first interleave format, and then distributes burst errors that may be generated by a trellis inner code. Interleaving the coded signal generated by the trellis inner code according to a second interleaving format, and then dispersing burst errors that may be generated along the transmission path of the coded signal. The method of claim 1, comprising: 3. The method of claim 2, wherein the two-bit codeword comprises the least significant bit of the modulation function, and wherein the remaining bits comprise the most significant bit of the modulation function. The method of claim 1 . Wherein said method further includes the steps of receiving at the receiver the carrier, by demodulating the received carrier at said receiver, comprising the steps of restoring the modulation function, the recovered modulation function, Deinterleaving using the inverse of the second interleaving format; pruning the deinterleaved modulation function to generate a set of metrics corresponding to the subset and identified by the remaining bits. Generating a number of bytes representing various conditional decisions of the signal points; and using the metric in a trellis code algorithm to decode a rate 1/2 binary convolutional code,
Restoring the bits; encoding the restored first bits using a binary convolutional coding algorithm with a coding rate of , to reproduce the codeword; Responsively, selecting one of the conditional decision bytes; combining the selected byte with a reconstructed first bit to generate a decoded output; a step of deinterleaving using reverse of the first interleave format, characterized in that it consists method of claim 1, wherein. 5. The method of claim 4 , further comprising the step of: decoding the deinterleaved decoded output using a Reed-Solomon symbol error correction decoding algorithm. 6. The method of claim 1, wherein the Reed-Solomon decoding algorithm recovers variable length coding coefficients from the deinterleaved decoded output , and the method further comprises decoding the recovered variable length coding coefficients. Restoring the transform coefficients representing the image portion, and inversely transforming the restored transform coefficients to obtain PCM and DPC
Restoring image data according to at least one of the M formats; processing the restored DPCM data by motion compensation;
6. The method of claim 5 , further comprising the steps of: restoring PCM image data represented by the restored DPCM data; and formatting the restored PCM image data for output to a digital television receiver. the method of. 7. Quadrature amplitude modulation ( QA) including compressed image information.
A method of decoding a digital television signal transmitted using the M), said method comprising the steps of: receiving a carrier containing said signals, demodulates the received carrier wave, interleaved containing the compressed image information Reconstructing the modulation function, deinterleaving the reconstructed modulation function, decoding the deinterleaved modulation function with an inner trellis decoding algorithm of a concatenated decoder, and displaying an interleaved read representing compressed image information. Reconstructing the Solomon symbol, deinterleaving the reconstructed Reed-Solomon symbol, and inputting the reed to the outer Reed-Solomon decoding algorithm of the concatenated decoder to provide
Reconstructing a variable-length coding coefficient from a Solomon symbol; decoding the reconstructed variable-length coding coefficient to restore a transform coefficient representing the compressed image information; Converting and restoring image data according to at least one of the PCM and DPCM formats; processing the restored DPCM data by motion compensation;
Reconstructing PCM image data represented by reconstructed DPCM data; and formatting the reconstructed PCM image data for output to a digital television receiver , wherein the modulation function comprises two bits. Multiple QAM controllers with codewords
Identify one of the stellation subsets and
A signal point in the one subset is represented by an n-2 bit part.
Comprising an N-point QAM modulation function, wherein the method further comprises pruning the reconstructed modulation function to form a pair with the subset.
Generate a corresponding set of metrics and n-2 bits
Multiple conditional decisions of signal points identified by
Stage for generating a large number of n-2 bit subgroups to represent
Floor and using the metric in the trellis decoding algorithm
To decode a binary convolutional code having a coding rate of 、,
Restoring the bits, and converting the restored first bits to a binary convolutional code having a code rate of 2.
Decoding with an encoding algorithm and reproducing the codeword
And in response to the reproduced codeword, the plurality of n-2
Selecting one of the sub-groups of the bits and combining the selected sub-group with the recovered first bit
And generating a Reed-Solomon symbol . 8. The modulation function according to claim 2, wherein said two-bit codeword comprises the least significant bit of said modulation function, and said remaining bits comprise the most significant bit of said modulation function.
The method of claim 7 . 9. An apparatus for transmitting digital television signals, the apparatus comprising: means for processing blocks of PCM image data using motion estimation and compensation to generate corresponding DPCM data; Is compared with the corresponding DPCM data generated by the processing means, and the PCM image data and the DPC
Means for selecting one of the M data for transmission, means for compressing the selected data by a discrete cosine transform to provide a block of transform coefficients, and quantizing the block of transform coefficients to reduce their coding efficiency. means for improved, coupled to an output of said quantizing means, and means for variable length encoding the transform coefficients, lead - include Solomon outer coder and a trellis inner coder, which is the variable length coding transform Means for encoding the coefficients to provide an encoded signal for transmission; N-point quadrature amplitude modulation (QAM) having four subsets
Quadrature amplitude modulation (QA) from constellation pattern
Made, and transmitting the encoded signal as M) symbols, each subset identified by a code word of different 2-bit
Separated and said N-point QAM constellation pattern
, And the trellis inner encoder includes the Reed-Solomon outer
Replace the symbol from the encoder with the first bit of the symbol
Processed by a binary convolutional coding algorithm with a coding rate of 1/2
The constellation path
Assign to the subset where the symbol exists in the turn
To provide a two-bit codeword , said two-bit codeword being used to generate a modulation function.
Mapped with the remaining bits of the symbol
The bits are sub-bits defined by the 2-bit codeword.
One of the N / 4 symbol points included in the set
Associated with the symbol, the transmitting means modulates a carrier using the modulation function.
Rukoto, apparatus according to claim. 10. The apparatus, said coupling encoder, the lead - the symbols generated by Solomon outer coder and interleaved with the first interleave format, the possibility of a subsequently generated by the trellis inner coder A first interleaver for dispersing a certain burst error, and an encoded signal generated by the trellis inner encoder may be interleaved in a second interleave format, and then generated along a transmission path of the encoded signal. 10. The apparatus of claim 9 , further comprising: a second interleaver for dispersing burst errors of interest. 11. The modulation function of claim 2, wherein said two-bit codeword comprises a least significant bit of said modulation function, and said remaining bits comprise a most significant bit of said modulation function. An apparatus according to claim 9 . 12. The apparatus further comprising: means for modulating the carrier at a receiver to recover the modulation function; means for deinterleaving the recovered modulation function using an inverse of the second interleaving format. Means for pruning the deinterleaved modulation function to generate a set of metrics corresponding to the subset and generating various conditional decisions of signal points identified by the remaining bits; Concatenated to receive the metric, code rate 1
Trellis decoding means for decoding the binary convolutional code of / 2 and restoring the first bit, encoding the restored first bit by a binary convolutional encoding algorithm having a coding rate of 1/2, Means for reproducing the codeword; means for selecting one of the conditional decision bytes in response to the reproduced codeword; combining the selected byte with the recovered first bit. The apparatus of claim 9 , further comprising: means for generating a decoded output; and means for deinterleaving the decoded output using an inverse of the first interleaving format. Wherein said apparatus further decoded output deinterleaved, Reed - using Solomon symbol error correcting decoding algorithm, characterized in that it comprises means for decoding apparatus of claim 12, wherein. 14. The apparatus, said lead - Solomon decoding algorithm recovers variable length coded coefficients from the decoded output which is de-interleaved, the apparatus further decoding the reconstructed variable length coded coefficient Means for restoring a transform coefficient, and inversely transforming the restored transform coefficient to obtain a PCM and a DPC
Means for restoring image data in at least one of the M formats; processing the restored DPCM data by motion compensation;
Means for restoring PCM image data represented by restored DPCM data; means for formatting the restored PCM image data from the restored DPCM data processing means and the inverse transform means for output to a digital television receiver. characterized in that it consists of, the method of claim 13. 15. The method according to claim 14, further comprising a quadrature amplitude modulation (Q)
AM) for decoding a digital television signal transmitted using AM , the apparatus receiving a carrier wave containing the digital television signal.
Means that demodulates the carrier including the signal, QAM recovery to restore the interleaved modulation function containing the compressed image information
A regulator unit, a first deinterleaver for deinterleaving the recovered modulation function, a modulation function which is de-interleaved, inner trellis decoding
And decoded using vessels, compressed image information interleaved Reed represent - a connecting decoder to recover the Solomon symbols, de-interleaved Reed - restoring the variable length coding coefficients from Solomon symbol, the connecting decoder A second deinterleaver for deinterleaving the reconstructed Reed-Solomon symbols for input to the outer Reed-Solomon decoder, and decoding the reconstructed variable length coded coefficients to produce the compressed image. Means for restoring transform coefficients representing image information; means for inversely transforming transform coefficients to restore image data in at least one of the PCM and DPCM formats; and processing the restored DPCM data by motion compensation. Means for restoring PCM image data represented by restored DPCM data; It restored PC from the means
Means for formatting the M image data for output to a digital television receiver , said modulation function comprising:
Identify one of the stellation subsets and
A signal point in the one subset is represented by an n-2 bit part.
Comprising an N-point QAM modulation function, said apparatus further pruning the reconstructed modulation function and pairing with said subset.
Generate a corresponding set of metrics and n-2 bits
Multiple conditional decisions of signal points identified by
A method for generating a large number of n-2 bit subgroups to represent
Stage and the reconstructed first bit are binary convolved at a code rate of 1 /
Encode with an encoding algorithm and reproduce the codeword
Means, and in response to the reconstructed encoder, the plurality of n-2 decoders.
Means for selecting one of the sub-groups of bits, combining the selected sub-group with the recovered first bit
Means for generating Reed-Solomon symbols , wherein said concatenated decoder is adapted for use in said inner trellis decoder.
In order to receive the metric concatenated and code rate
The first bit is decoded by decoding a half binary convolutional code.
To source, and wherein the. 17. The device further characterized in that it consists of the adaptive equalization circuit coupled between the coupling decoder to the QAM demodulator apparatus of claim 16, wherein.
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